Вместе с установлением закона инерции была признана и неразрушимость движения. Поэтому для физиков, которые не признавали других сил, кроме живой силы удара, иных причин движения, кроме движения же, — сохранение силы являлось основным началом всего естествознания, непосредственно вытекавшим из закона инерции. Поэтому Декарт высказал это начало с полной уверенностью в его очевидности, а следы такого взгляда встречаются задолго до него еще у древних физиков-атомистиков. Иначе обстояло дело для тех физиков, которые в качестве причин движения приписывали материи первичные силы, допуская, что покоящееся тело само по себе способно приводить в движение другие тела. Если при этом так называемом динамическом воззрении на материю, безраздельно господствовавшем со времен Ньютона, и было вообще возможно установление единого закона для всех сил, действующих во вселенной, то лишь при условии невключения в него элементарных сил материи — поскольку последние вообще при известных условиях могут вызвать движение — и распространения этого закона только на ограниченные дее- или работоспособности, присущие телам в силу заданных их взаимоотношений или их положения во вселенной. Но поскольку различного рода деятельности как весомых, так и невесомых веществ рассматривались в их общей совокупности, закон сохранения силы не имел смысла. Лишь после того как научились принимать во внимание зависимость величины действия элементарных сил от заданных пространственных отношений, стало понятным постоянство ограниченной таким образом работоспособности вселенной. Правда, в некоторых сочинениях, посвященных измерению определенных действий сил, в математическом определении понятия работы уже встречаются указания на закон сохранения силы, однако общее признание его в качестве основного начала физики могло последовать лишь после того, как была доказана зависимость всех вообще физических действий сил от определенных пространственных отношений и было ясно сформулировано и постулировано новое понятие о силе как определенной работоспособности. Это бесспорно впервые сделал Юлиус Роберт Майер. Но так как это достижение не явилось результатом какого-нибудь осязательного, вновь открытого явления, а имело главную свою ценность в выставленном им требовании нового воззрения на силу, то по установившемуся с давних пор порядку это достижение сначала не было понято и признано. Заслуга Майера даже в настоящее время оспаривается теми односторонними физиками, которым угодно считать научным один только экспериментальный метод исследования.
Первую свою работу Майер опубликовал в мае 1842 г. под малоудачным заглавием «Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur» («Замечания о силах неодушевленной природы»). Она начинается следующими словами: «Целью нижеследующих строк является попытка ответить на вопрос, что следует понимать под «силами» и как они относятся друг к другу... Силы являются причинами, следовательно, к ним вполне применимо положение: causa aequat effectum ... В цепи причин и действий, как это вытекает из природы равенства, не может когда-нибудь один член или какая-нибудь часть члена стать нулем: это первое свойство всех причин мы называем их неразрушимостью ... Другое существенное свойство всех причин заключается в их способности принимать различные формы. Принимая во внимание оба эти свойства, взятые совместно, мы говорим: причины суть (количественно) неразрушимые и (качественно) превратимые объекты... Причина, обусловливающая поднятие груза, есть сила; ее действие, поднятый груз, есть, следовательно, тоже сила; или, выражаясь, общее: пространственная разность весомых объектов есть сила; так как эта сила обусловливает падение тел, то мы называем ее силон падения». Показав, таким образом, на примере правильное понятие силы и ее признаков, Майер пытается разрушить старое ходячее представление о силе. «Рассматривая тяжесть как причину падения тела, говорят о силе тяжести и смешивают, таким образом, понятия силы и свойства; как раз то, что должно быть существенно присвоено каждой силе, соединение неразрушимости с превратимостью, отсутствует у всякого свойства... Если тяжесть называют силой, то при этом представляют себе причину, которая производит действие, не убывая сама по себе, и таким образом поддерживают неправильные представления о причинной зависимости вещей. Для того чтобы тело могло упасть, его поднятие не менее необходимо, чем его тяжесть, поэтому падение тел нельзя приписывать только последней». Связь между силой падения и силой движения, равно как отношение их взаимной превратимости, уже давно определена и известна; но часто мы видим, что движение прекращается без того, чтобы оно вызвало другое движение или же привело к поднятию тяжести. Для того чтобы в подобных случаях определить, что произошло в результате исчезнувшего движения, следует применять для наблюдения такие приборы, которые, останавливая движение, сами по возможности изменялись бы как можно меньше подлежащими исследованию объектами. Так, например, если при трении друг о друга двух металлических пластинок мы наблюдаем наряду с уничтожением движения образование теплоты, то возникает вопрос, составляет ли движение причину тепла. Но при таком трении не происходит никакого изменения пластинок, кроме образования металлической пыли; однако последняя не может быть причиной исчезнувшего движения, так как из пыли, конечно, нельзя получить обратно движения. «Повторяем, движение не может превратиться в ничто, а противоположные или положительные и отрицательные движения нельзя считать равными нулю, совершенно так же, как из нуля не могут возникнуть противоположно направленные движения, как не может сам собою подняться груз... Поскольку установлено, что во многих случаях (exceptio confirmat regulam — исключение подтверждает правило) для исчезнувшего движения нельзя найти никакого другого действия, кроме теплоты, и для образовавшегося тепла никакой другой причины, кроме движения, мы предпочитаем принять положение, что тепло возникает из движения, чем допустить существование причины без действия или действия без причины... Естественную связь между силой падения, движением и теплотой можно себе наглядно представить следующим образом. Мы знаем, что тепло появляется при сближении отдельных частей массы какого-либо тела; сгущение развивает тепло; но то, что справедливо для мельчайших частиц массы и их мельчайших промежутков, должно быть применимо и к большим массам и к их измеримым расстояниям. Опускание груза есть действительное уменьшение объема тела земли и должно, конечно, стоять и в связи с проявляющимся при этом теплом; теплота эта должна быть точно пропорциональна величине груза и его (первоначальному) расстоянию... Если силы падения и движения равны теплоте, то, конечно, и теплота должна быть равна движению и силе падения. Как тепло возникает в качестве действия при уменьшении объема и при прекращении движения, точно так же исчезает тепло в качестве причины при наступлении его действия, как-то: движения, увеличения объема и поднятия груза. В водяных силовых установках возникающее благодаря постоянному уменьшению объема, испытываемому землей вследствие падения воды, и затем исчезающее движение непрерывно развивает значительное количество теплоты; наоборот, паровые машины служат для превращения теплоты обратно в движение или для поднятия груза. Локомотив с его поездом можно сравнить с перегонным аппаратом: теплота, подводимая к котлу, переходит в движение, а последнее в свою очередь выделяется на осях колес в виде значительного количества тепла.
В этой работе Майер не входит в рассмотрение взаимных отношений между другими физическими силами, кроме силы падения, теплоты и движения; заканчивает он ее, не отмечая при этом важности или новизны последующего изложения, определением количественного отношения, в котором превращаются друг в друга сила падения и теплота, или, как мы теперь говорим, определением механического эквивалента теплоты. «Мы заключим наши тезисы, вытекающие с необходимостью из основного положения causa aequat effectum и находящиеся в полном согласии со всеми явлениями природы, одним практическим выводом. — Для решения уравнений между силой падения и движением должно быть определено с помощью опыта пространство падения за определенное время, например за первую секунду; точно так же для решения уравнений между силой падения и движением, с одной стороны, и теплотою — с другой, необходимо ответить на вопрос, как велико количество тепла, соответствующее определенному количеству силы падения или движения. Так, например, мы должны были бы определить, на какую высоту над поверхностью земли следует поднять определенный груз, чтобы его сила падения была эквивалентна нагреванию равной ему по весу массы воды от 0 до 1°? Что такое уравнение действительно имеет свое основание в природе, может быть рассматриваемо как резюме всего изложенного выше. Применяя установленные выше положения к тепловым и объемным отношениям газов, мы найдем, что снижение столба ртути, сжимающего газ, равно количеству тепла, освобожденною в результате сжатия; а отсюда получается — если принять отношение теплоемкостей атмосферного воздуха при постоянном давлении и при постоянном объеме равным 1,421,— что снижению некоторого веса с высоты около 365 м соответствует нагревание равного ему веса воды от 0 до 1°. Если с этим результатом сравнить полезное действие наших лучших паровых машин, то станет ясно, что лишь незначительная часть тепла, подводимого к котлу, действительно превращается в движение или поднятие груза; и этим можно было бы вполне оправдать попытки открыть выгодный путь получения движения не путем использования химической разности между С и О, а иным способом, а именно путем превращения в движение электричества, полученного с помощью химических процессов».
Работа Майера была для научного мира ударом по воде, или, точнее, холостым выстрелом; это оправдывается, хотя и не объясняется, самой статьей. Заглавие ее было слишком мало выразительно, чтобы обратить на себя внимание. Попытка выработки нового понятия силы была выражена слабо и, во всяком случае, необходимость такой реформы не была выявлена. Величина механического эквивалента тепла была выведена неясно и непонятно, причем это было сделано как-то мимоходом и только в виде простого практического примера.
Все эти недочеты были устранены в работе, появившейся три года спустя и содержавшей в себе полное, систематическое развитие новых воззрений. Однако и на этот раз заглавие «Die organische Bewegung in ihrem Zusammenhange mit dem Stoffwechsel» («Органическое движение в связи с обменом веществ»), к сожалению, не охватывало всего содержания работы. Именно, здесь Майер рассматривает не только органическое движение, но восполняет то, что не было сделано в первой статье, — он дает вполне ясное систематическое развитие нового понятия силы, применение этого понятия ко всем физическим силам и, наконец, обстоятельный вывод механического эквивалента тепла. Поэтому вторую статью и следует считать собственно основным трудом Майера, а первую — только предварительным сообщением, имевшим лишь целью закрепить за автором приоритет открытия.
Здесь Майер снова начинает с рассмотрения понятия силы. «Понятия, разработанные механикой для своих собственных целей, развиваются другими науками дальше, чем этого требовал бы их первоначальный смысл. На вопрос, что следует понимать под «телом», геометр ответит: «Да не осудят меня физик, зоолог, психолог и т. д., но, согласно нашим понятиям, тело есть пространство, ограниченное в трех измерениях». Механик, представляющий себе возникновение, изменение и прекращение каждого движения как результат некоторого давления, называет последнее in abstracto (абстрактно) «силой»; способность же массы производить подобное давление — тяжесть — он называет некоторой силой. Но, не останавливаясь на абстракции механики «сила равна давлению», в других науках тяжесть сделали типом силы и вызвали этим искусственное смешение понятий: свойство, сила, причина, действие; этим создали огромное препятствие для построения здания науки. Поэтому прежде чем приступить к исследованию физиологических законов, да позволено нам будет условиться с читателем насчет понятия силы».
Новое определение понятия силы Майер развивает затем совершенно так же, как в первой своей работе, но только здесь он высказывает свои положения более определенно и ясно. «Что химия выполняет по отношению к материи, — говорит он, — то должна выполнить физика по отношению к силе. Изучить силу в ее различных формах, исследовать условия ее превращений — такова единственная задача физики: ибо как возникновение, так и уничтожение силы лежит за пределами человеческого мышления и действия... В действительности существует только одна единственная сила. В вечной смене циркулирует она и в мертвой и в живой природе. И там и здесь нет процесса без изменения формы силы!»
Движение и сила падения представляют собою отдельные формы силы: их неразрушимость при взаимном превращении давно уже признана механикой в форме начала сохранения живой силы. «Теплота есть сила, (потому что) она может быть превращена в механический эффект... Равные количества горючего материала дают при одинаковых условиях равные количества тепла; но угли, сгорающие под котлом, дают меньшее количество свободной теплоты, когда машина работает, чем в том случае, когда она бездействует... Гей-Люссак доказал на опыте, что упругая жидкость, переходя из одного резервуара в другой равной величины, освобожденный от воздуха, охлаждается в первом сосуде на столько же градусов, на сколько она нагревается во втором... Но равным образом установлен и тот факт, что газ, расширяющийся под некоторым давлением, испытывает понижение температуры... Количество тепла, которое должно быть применено для того, чтобы произвести определенный механический эффект, должно быть определено экспериментальным путем». Это определение Майер осуществляет следующим образом: «Один кубический сантиметр атмосферного воздуха при 0° и при барометре, показывающем 0,76 м, весит 0,0013 г; будучи нагрет при постоянном давлении на 1° С, он расширяется на 1/274 своего объема и тем самым поднимает столб ртути с основанием в один квадратный сантиметр и высотою в 76 см на 1/274 см. Вес такого столба составляет 1 033 г. Удельная теплоемкость атмосферного воздуха при постоянном давлении, если принять теплоемкость воды за единицу, равна, по Деларошу и Берару, 0,267; следовательно, количество тепла, принимаемого нашим кубическим сантиметром воздуха для того, чтобы при постоянном давлении повысить свою температуру с 0 до 1°, равно тому количеству тепла, с помощью которого 0,0013X0,267 или 0,000347 г воды нагревается на 1°. По Дюлонгу, за которым следует большинство физиков в данном вопросе, количества теплоты, которые воздух принимает при постоянном объеме и постоянном давлении, относятся друг к другу, как 1:1,421; сообразно с этим исчисляется, что для нагревания нашего кубического сантиметра воздуха на 1° при постоянном объеме требуется количество тепла, равное 0,000347/1,421=0,000244°. Следовательно, разность 0,000347—0,000244=0,000103° и есть то количество теплоты, благодаря применению которого груз Р=1033 г был поднят на высоту h=1/274 см. Отсюда после пересчета получается, что 1° теплоты равен 1 г, поднятому на 367 м или 1130 париж. фут. высоты. Такой же результат получается, если вместо атмосферного воздуха взять для расчета какой-либо другой простой или сложный газ. Закон «Теплота равна механическому эффекту» не зависит от природы упругой жидкости, служащей лишь орудием для превращения одной силы в другую».
После такого совершенно точного определения механического эквивалента теплоты, основанного на лучших измерениях того времени, Майер переходит к дальнейшей оценке этого числа. По данным Либига 1 г углерода дает при сгорании 8 558° тепла — количество, которого достаточно для поднятия 3 600 000 г на высоту 1 м; т. е. «такой эффект получился бы в случае отсутствия всяких тепловых потерь. Но подобно тому как из данного количества хлора, металла и кислорода нельзя получить хлорноватую соль без образования побочных продуктов, так и теплота не может быть вся целиком превращена в движение». Постоянство соотношения между теплотою и силою падения и здесь доказывается столь же своеобразным способом, как и в первой работе. «Если предположить, что вся земная кора могла бы быть приподнята вверх на поставленных повсеместно столбах, то для поднятия такой неимоверной тяжести потребовалась бы затрата огромного количества тепла. Но если отсюда ясно, что увеличение объема тела земли, как и всякой вообще массы, связано с «переходом в скрытое состояние» соответствующего количества теплоты, то также ясно, что при уменьшении объема должно снова освобождаться равное количество тепла. Но то, что имеет место по отношению к земной коре в целом, должно быть применимо к любой ее части. При поднятии самой ничтожной тяжести теплота (или другая какая-либо сила) должна перейти в скрытое состояние, а при опускании этой тяжести эта теплота должна освободиться. Только что было показано, что для поднятия тяжести в один килограмм на 425 м требуется одна единица тепла; отсюда следует, что груз в один килограмм, падая с высоты 425 м, должен освободить посредством удара или трения одну единицу тепла (калорию). Традиционные предпосылки о сущности движущей силы и движения помешали физикам увидеть этот совершенно ясный факт, твердо обоснованный на опыте. Ньютон (Princ. I, Def. VIII) определенно рассматривает тяжесть как causa mathematica и предостерегает против толкования ее как causa physica. Однако это существенное различие было оставлено без внимания последователями Ньютона: тяжесть, или причина ускорения, принималась за причину движения, и таким образом допускалось возникновение движения без затраты силы, поскольку при падении груза тяжесть совершенно не потребляется. Необходимым следствием такого способа происхождения явилось допущение возможности превращения данного движения при некоторых условиях в ничто... Если зачерпнуть из большого бассейна, моря или океана стакан воды, то вызванной этим убыли в огромной массе воды нельзя будет заметить. Но если бы мы допустили, что в море не происходит никакой убыли вещества вследствие изъятия нескольких унций жидкости, то отсюда необходимо пришлось бы сделать тот вывод, что эти унции были созданы из ничего, а, будучи обратно отданы морю, — они снова превратились в ничто. Подобное же заключение применимо и к силам. Итак, мы ставим вопрос, является ли постоянной движущая сила, которая сообщает телу, падающему на землю с высоты 15 фут., скорость в 30 фут.? На это обыкновенно отвечают: уменьшение и увеличение тяготения для таких ничтожных высот может быть, в сущности, оставлено без внимания; следовательно — «да». Мы же говорим — «нет». Если бы сила была постоянной, то за соответствующее время она должна была бы произвести движение любой величины; для этого, однако, недостает многого. Скорость, которую может приобрести груз при падении на землю, имеет определенный максимум; последний составляет 345 000 фут. (11 200 м) в секунду; с такою скоростью G достигнет поверхности земли T масса m, падая из бесконечного расстояния. Следовательно, результирующая из всего пространственного расстояния масс T и m движущая сила, или полная сила падения массы m, равна mG2. Результирующая же частичная сила, вызванная частичным расстоянием между массами, есть легко исчислимая часть полной силы. Для земных высот числителем этой дроби является путь падения, а знаменателем — радиус земли. Таким образом, при падении массы m с высоты 15 фут. получается величина движения, равная G2•(15/196050) откуда скорость, с которой m упадет на землю, равна G
(15/196050). Когда груз, падая с бесконечно большой высоты, достиг расстояния от земли, равного 15 фут., то на это было израсходовано 1 299 999/1 300 000 полной силы падения; в остатке имеется еще 1/1 300 000 этой силы, и при затрате этой, правда, сравнительно очень небольшой силы, может быть получено и сравнительно столь же небольшое действие, а именно движение m со скоростью 30 фут. Таким образом, ясно, что случай падения не дает оснований для каких-либо исключений из аксиоматического положения о пропорциональности между движением и затраченной на него силой. Затрата силы бывает равна нулю лишь в том случае, когда груз только производит давление, но сам при этом не опускается. Постоянной силы, т. е. силы, которая, проявляя действие, при этом сама не уменьшается, для физика не существует».
К движению, силе падения и теплоте присоединяется еще четвертая форма проявления физической силы — электричество; происходит ли оно от трения или через влияние, источником его всегда бывает затрата механического эффекта. Представим себе крышку электрофора уравновешенной противовесом; тогда она может без всякой затраты силы производить маятникообразные качания вверх и вниз. Представим себе, далее, что когда крышка при качании достигла самой низкой точки своего положения, под нее подставлен на надлежащем расстоянии наэлектризованный смоляной круг,— этот последний тотчас же притянет крышку, поднимет противовес и даст, таким образом, некоторый прирост силе падения. Если мы затем извлечем из крышки искру, то притяжение ее станет сильнее прежнего и для поднятия крышки потребуется теперь не только весь запас выигранной силы падения, но еще и некоторый избыток. Зато из поднятой крышки мы можем извлечь вторую искру, после чего только вся система вернется в первоначальное состояние. Таким образом затратой механической силы достигнуты два электрических эффекта и сумма последних должна быть как раз равна затраченной механической силе. К подобным же результатам приходят и при получении электричества от трения. «Соприкасающиеся друг с другом вещества удерживаются прочно вместе с образовавшимися противоположными электричествами; но необходимое для получения электрических эффектов разъединение этих веществ не может произойти без затраты механического эффекта. Известно также, что при образовании электричества путем трения теплота от трения отсутствует. При «сообщении» электричества изложенные только что отношения притяжения обращаются в противоположные здесь затрачивается электрическая сила и получается механический эффект. При всяком сообщении электричества некоторая часть его нейтрализуется, как нейтрализуется движение при неупругом ударе».
«Совершенно так же, как получается электричество, может быть путем индукции получен за счет механического эффекта и магнетизм. Данный магнит играет роль электрофора».
Тот же самый эффект, который получается от столкновения движущихся масс, т. е. тепло, дает и химическое соединение известным веществ. Стало быть и «химически раздельное существование или, короче, химическая разность материи есть сила. Химическое соединение 1 г углерода с 2,6 г кислорода приблизительно эквивалентно соединению груза в 0,5 г весом с землею (т. е. силе падения на землю, половины грамма с бесконечной высоты); тем и другим путем получается соответственно 8500° и 7400° теплоты. Химическое соединение 1 г водорода (если теплоту его сгорания принять по Дюлонгу равной 34 743°) с 8 г кислорода приблизительно эквивалентно механическому соединению груза в 2 г с землею».
«Если для небольших расстояний и малых скоростей энергии механических эффектов значительно уступают более резко выраженным химическим силам, то мы видим обратное отношение, когда через окружающую нас среду обращаем наши взоры к небесным пространствам... Земля движется по своей орбите со средней скоростью 93 700 фут. в сек. Для того чтобы произвести подобное движение сжиганием углерода, пришлось бы сжечь такое количество угля, которое по весу в 13 раз превышает вес земли; освободившегося при этом количества тепла было бы достаточно для того, чтобы нагреть на 110 000° количество воды, равное по весу земле. Значит, незначительной доли той силы, с которой земля движется по орбите, было бы достаточно для того, чтобы совершенно уничтожить механическую связь между всеми частицами земной массы. Но если представить себе, что масса, равная по своей тяжести земле, лежит спокойно на поверхности солнца, то для удаления этого груза от солнца на такое расстояние, на каком находится земля (принимая расстояние земли от солнца равным 215 радиусам солнца), и для сообщения ей скорости в 93 500 фут. в сек. потребовалась бы затрата силы еще в 429 раз большая, или же количество углерода весом в 5557 раз больше веса земли и т. д. Так как химические силы представляются недостаточными для получения подобных эффектов, то можно спросить, в каком же виде следует представить себе ту затрату силы, которая некогда оказалась в состоянии вызвать движения планет? Если предположить, что «вначале» земля была удалена от центра солнца на 430 солнечных радиусов и находилась в покое, а отсюда упала по направлению к солнцу до ее нынешнего расстояния в 215 радиусов солнца, то в результате этого падения она приобрела бы нынешнюю величину своего движения. То же самое можно сказать и обо всех планетах. Большие оси их орбит дают меру первоначального расстояния небесных тел, которые предполагаются вначале находившимися в состоянии покоя; большие оси являются выражением величины механического эффекта, сообщенного творцом каждой планете; они неизменны, как прошлое».
Химическая разность является источником силы и в вольтовом столбе. «Явления восстановления и образования теплоты и механического эффекта, которые мы наблюдаем в качестве действия столба, обязаны своим происхождением затрате некоторой силы, данному расстоянию между металлом и кислородом, между солью и кислотой». Из всего этого неизбежно вытекает высказанная им уже в начале работы аксиома: «При всех физических и химических процессах данная сила остается постоянной величиной». Майер, конечно, ясно сознает, какой переворот должно произвести это положение в основных воззрениях физиков, и выражает это в следующих убежденных и воодушевленных словах: «Отстаивая alte voce (громким голосом) для движения его право на существование, его субстанциальность, мы, безусловно, должны отрицать вещественность теплоты и электричества. В самом деле, не было ли бы совершенно нелепо искать сущность движения и пространственного расстояния масс в жидкости, или приписывать одному и тому же объекту попеременно то материальное, то нематериальное существование. Итак, выскажем великую истину: «Никаких нематериальных материй не существует». Мы чувствуем, что здесь мы вступаем в борьбу с самыми укоренившимися гипотезами, канонизированными великими авторитетами; что вместе с невесомыми мы хотим изгнать из естествознания последние остатки богов Греции; но, с другой стороны, мы знаем, что природа в ее простой действительности выше и прекраснее любого создания рук человеческих, всех иллюзий сотворенного духа».
Только после этого общего теоретического введения Майер переходит к настоящей теме второй своей работы, к силам органических веществ. При этом он, по-видимому, преследует две цели: с одной стороны, выполнить свою главную задачу и доказать закон сохранения силы и в наиболее трудной и загадочной области природы, в области жизни человека, животных и растений; а с другой стороны, — осведомить о своей работе и воззрениях товарищей по профессии, врачей, чтобы сделать свои идеи плодотворными и в этой области.
...«Согласно человеческим представлениям, продолжает он, — солнце является неисчерпаемым источником физической силы. Поток этой силы, изливающийся и на нашу землю, есть та постоянно заводящаяся пружина, которая поддерживает ход механизма всех деятельностей на земле... Недалеко еще от нас ушло то время, когда шел спор, способно ли растение во время своей жизни превращать или даже производить первичные химические вещества». Но подобно тому, как невозможность созидания материи из ничего уже давно была признана естественным законом и для организмов, то же самое должно быть совершенно так же признано и для силы. Ежедневный опыт показывает, «что ничто так не препятствует согревающему действию солнечных лучей на широкую земную поверхность, как богатая растительность, несмотря на то, что растения, благодаря темному цвету своих листьев, должны поглощать большую долю падающего на них солнечного света, чем обнаженная почва». С другой стороны, во всяком растении отложен запас силы — в виде химической разности, которым мы и можем в полной мере воспользоваться, сжигая растение. Закон логического основания побуждает нас поставить в причинную связь указанное потребление солнечных лучей и накопление химической силы; во всяком случае, можно считать аксиомой, что «при жизненном процессе происходит лишь превращение вещества и силы, на отнюдь не их созидание». Но, конечно, вопрос о том, каким образом растения дальше применяют силу своей химической разности, сколько из нее переходит в свободную теплоту и сколько идет на поддержание жизненных процессов, все это представляет пока еще темную область, которая для своего разъяснения требует длительных физиолого-химических исследований и точных экспериментальных определений теплоты сгорания растительных веществ.
«Физическая сила, накопленная благодаря деятельности растений, используется другим классом существ, которые присваивают себе этот запас хищническим путем и применяют его для своих индивидуальных целей. Эти существа — животные. Живое животное постоянно забирает у растений горючие вещества и воспринимает их — для того, чтобы вновь соединить их с атмосферным кислородом. Параллельно такому использованию протекает и деятельность животных, характеризующая их жизнь: производство механических эффектов, движение, поднятие тяжестей... В организме животного постоянно расходуется известная сумма химических сил. Тройные и четверные соединения претерпевают во время жизни важнейшие изменения, переходя большею частью в двойные соединения, продукты сгорания, которые после короткого промежутка времени удаляются наружу». Количество тепла, которое может быть получено при таких процессах, еще недостаточно точно установлено на опыте; но в данном случае, когда речь идет только об установлении принципа, можно ограничиваться и приблизительной оценкой.
Считают, что лошадь напряжением произвольных своих мышц в течение 8 час. в день способна в каждую минуту поднять 4400 кг на высоту 1 м. Теплоту сгорания углерода, по Дюлонгу, примем равной 8558°; поднятие тяжести, соответствующее сгоранию одной весовой части кислорода, равно 3 600 000 таких же весовых частей на 1 м высоты. «Итак, если выразить затрату химической разности, которую должна понести лошадь, чтобы произвести вышеуказанное действие — в весе углерода, — то окажется, что это животное в течение дня потребляет для механических целей 580 г углерода; в час, считая день за 8 рабочих часов, 72 г и в 1 мин. — 1,2 г. Согласно общепринятым определениям работоспособность сильного работника составляет 1/7 работоспособности лошади. Человек, поднимающий за день 300 000 кг на высоту 1 м, должен на это потребить 83 г углерода; это составляет 10 г за один рабочий час и 170 мг за одну минуту.
Игрок в кегли, бросающий шар весом в 4 кг со скоростью 10 м. потребляет на эту работу в 20 кгм — 6 мг углерода, так как эффект сгорания 1 мг равен 3,6 кгм. Человек, поднимающий свое собственное тело, 72 кг, на высоту 5 м, потребляет для этого 0,1 г углерода. При восхождении на гору высотою в 3000 м расход этого человека составляет 60 г углерода, если не считать потерь механического эффекта вследствие неупругих толчков, происходящих при каждом шаге. Если бы животный организм применил весь имеющийся у него горючий материал исключительно для механических целей, то исчисленных количеств углерода было бы достаточно для указанных промежутков времени. Но в действительности в животном теле, наряду с производством механических эффектов, всегда имеет место и образование теплоты. Итак, химическая сила, заключающаяся в потребленных продуктах литания и во вдыхаемом кислороде, является источником проявления двух сил — движения и теплоты, а сумма физических сил, произведенных животным, равна величине происходящего одновременно химического процесса.
Если собрать воедино все механические проявления силы животного за некоторый определенный промежуток и, превратив их путем трения, или иным каким-либо образом, в теплоту, прибавить сюда теплоту, непосредственно произведенную телом за тот же промежуток времени, то получится в точности то количество теплоты, которое как раз соответствует одновременно происходящему химическому процессу.
Закон логического основания запрещает допустить избыток или недостаток на той или другой стороне. Единственной причиной животной теплоты и работоспособности животного является химический процесс, и именно — процесс окисления. Если Дюлонг и Депре нашли, что производимая животным теплота приблизительно равна теплоте сгорания заключающегося в теле углерода и водорода, то это произошло только потому, что теплоту сгорания этих веществ они приняли меньше ее действительной величины.
«Для того, чтобы иметь возможность превращать химическую силу в механический эффект, животные снабжены специальными органами, каких совершенно нет у растений. Таковыми являются мышцы. Для проявления деятельности мышцы необходимы два момента: 1) влияние двигательного нерва как условие и 2) обмен веществ как причина действия... Мышца является орудием, посредством которого достигается превращение силы, но она не является веществом, благодаря превращению которого получается действие... Поэтому длительная работоспособность мышцы пропорциональна не массе мышцы, а массе протекающей через нее крови... Происходящее повсюду в капиллярных сосудах тела окисление горючего материала порождает соответствующее количество теплоты. В этом отношении покоящаяся мышца ведет себя совершенно так же, как любая неподвижная часть тела; напротив, действующая мышца потребляет горючий материал для производства механических эффектов. При каждом действии мышцы теплота в самый момент своего возникновения становится «скрытой»... Убыль тепла во время работы была бы гораздо более заметна, и работоспособность произвольной мышцы была бы заключена в тесные пределы, если бы во время работы химический процесс как в данном месте, так и повсюду в теле не повышался... Когда организм производит механические эффекты, движения, связанные с дыханием и кровообращением, рефлекторно усиливаются; при всякой напряженной работе дыхание и биение сердца ускоряются и, понятно, тем сильнее, при одном и том же действии, чем слабее протекает в данном организме химический процесс во время покоя; действие, которое сильному человеку стоит лишь нескольких вздохов, у малокровных, хлоротичных, цианозных, цынготных субъектов может вызвать бурное усиление дыхания и кровообращения, приступы одышки и сердечные перебои».
При всем том (если желательно понять закон сохранения силы) не следует смешивать усилия с действием. Работа человека, поддерживающего с большим напряжением груз или стоящего неподвижно часами и т. п., равна нулю; то же самое или даже больше того может выполнить железный крюк. По-видимому, в подобных случаях утомление происходит вследствие продолжительного давления на нервные разветвления. Подобное утомление без работы не исключает и последующей работоспособности; так, ученый, простоявший вопреки правилам гигиены целый день до усталости перед своим пюпитром, совершает вечером для отдыха прогулку на соседнюю гору.
Показав, таким образом, что и в органическом мире силы никогда не создаются из ничего, что всякая работоспособность человека и животных возможна лишь благодаря превращению солнечной энергии, накопленной растениями, Майер развивает свою тему дальше и старается определить источник энергии солнца, В самом деле, если закон сохранения силы может иметь силу для всей вселенной, то и на солнце нельзя смотреть, как на замкнутый в самом себе источник энергии, и для него необходимо показать, какое место этот гигантский резервуар силы занимает в общем кругообороте сил природы. Разрешению этой задачи посвящена третья работа Майера, появившаяся три года спустя после второй (1848 г.) под заглавием «Beiträge zur Dynamik des Himmels in populärer Darstellung» («Динамика неба в популярном изложении») и изданная им за свой счет в Гейльбронне.
Эта работа начинается следующими словами: «Свет, как и звук, состоит из колебаний, которые от светящегося или звучащего тела распространяются в окружающей среде. Легко понять, что тело только тогда может сообщать окружающей его среде колебательное движение, когда оно само находится в таком же движении; ибо там, где тело находится в покое или в равновесии с окружающей средой, причины для волнообразного движения не существует. Для того чтобы колокол или струна издавали звук, необходимо, чтобы какая-нибудь внешняя сила ударила по колоколу или привела в колебание струну, и эта сила является причиной звука... Часто и удачно солнце сравнивали с непрерывно звучащим колоколом. Но что же поддерживает это небесное тело, столь величественно и чудесно наполняющее небесные пространства своими лучами, что поддерживает его в вечно неослабевающей силе и юности? Что предохраняет его от полного истощения, от наступления равновесия, дабы ночь и смертельный холод не заполнили пространства нашей планетной системы? Всеобщий закон природы, не допускающий никаких исключений, гласит, что для образования тепла необходима известная затрата. Эту затрату, как бы разнообразна она вообще ни была, всегда можно свести к двум главным категориям, а именно, она сводится либо к химическому материалу, либо к механической работе». Стало быть, источник солнечной теплоты следует искать в этих двух агентах и при разработке гипотезы об источнике следует выбирать между ними. Но для этого, прежде всего, необходимо определить, каково количество тепла, излучаемого солнцем за известный промежуток времени.
По Гершелю нагревательная сила солнца столь велика, что это тепло могло бы ежегодно растопить на поверхности земли слой льда в 29,2 м толщиной, а по более поздним измерениям Пуллье — толщина этого слоя льда составила бы 30,89 м. На основе последнего результата все тепловое излучение солнца в минуту определяется в 12 650 миллионов гросс-калорий, где во избежание больших чисел одна гросс-калория принята равной количеству тепла, нагревающему на 1° С одну кубическую милю воды, или же равной 408,54 биллионов калорий. Если бы при этом теплоемкость солнца была равна наибольшей из теплоемкостей, установленных нами для известных веществ, а именно, была равна теплоемкости воды, то, распределяя потерю тепла на всю массу солнца, мы получили бы ежегодное охлаждение солнца на 1,8° С, а общее охлаждение его за историческое время (5000 лет) составило бы 9000°. Исходя из этого числа, которое, вообще говоря, благодаря неодинаково сильному охлаждению солнечной оболочки должно иметь неодинаковое действие, можно «с математической уверенностью судить о величине возмещения, соответствующего столь грандиозному расходу».
Однако процесс горения ни в коем случае не в состоянии возместить эту постоянную потерю тепла солнцем. Если допустить, что солнце представляет собою груду каменного угля, каждый килограмм которого, сгорая, дает 6000 тепловых единиц, то сгорание солнца было бы в состоянии покрывать общий расход тепла только в течение 4600 лет. Вращение солнца около оси тоже не может служить источником его теплоты, так как для превращения этой механической силы в теплоту потребовалось бы участие другого тела, противодействующего вращению. Но если даже допустить существование такого тела, то весь эффект вращения тела солнца (считая плотность его равномерной и продолжительность его вращения равной 25 дням) составил бы 182 300 квинтиллионов килограммометров и покрыл бы тепловую потерю всего за 158 лет. Совершенно иначе представляется это дело, когда мы рассматриваем солнце не изолированно, а как некое звено вселенной. По нашей солнечной системе пробегают, кроме известных до настоящего времени планет с их 18 спутниками, множество комет, которых, по известному выражению Кеплера, в небесном пространстве имеется больше, чем рыб в океане; сюда следует еще прибавить астероиды, число которых, судя по наблюдаемым нами о земной атмосфере падающим звездам и огненным метеорам, переходит за всякие пределы. Если бы небесное пространство было совершенно пусто и не содержало в себе никакой материи, то все эти тела кружились бы вокруг солнца с неизменной регулярностью. Но это совершенно невозможно. Сокращение времени обращения кометы Энке заставляет определенно считать, что небесное пространство наполнено материей, оказывающей сопротивление движению. Литтров по этому поводу, в полном согласии с естествоиспытателями, говорит следующее: «Если бы в мировом пространстве даже и не было другой жидкой материи, кроме той, которая необходима для существования света (будет ли этот свет сам по себе материален, как это предполагает теория истечения, или же он состоит из колебаний всенаполняющего эфира, как это принимает волновая теория), то уже ее одной было бы достаточно для того, чтобы с течением времени совершенно изменить движения планет, а вместе с тем и расположение системы, и даже совершенно уничтожить современную ее структуру, так как конечным следствием существования подобной сопротивляющейся среды должно быть падение всех планет и комет на солнце». Таким образом, со всех сторон, медленно, но непрерывно, к солнцу должен притекать неизмеримый поток весомого вещества, и, сталкиваясь с солнцем, он должен превращать механическую силу своего движения в теплоту. Для оценки получающихся таким образом количеств тепла могут служить следующие соображения. Тяжелое тело, падающее из бесконечного расстояния на небесное тело, приобретает при этом максимальную скорость 2gr; для поверхности солнца эта величина G составляет 630 400 м; это число можно назвать характеристикой солнечной системы. Если же тяжелое тело падает не из бесконечной дали, а только с расстояния h, то оно упадет на поверхность солнца со скоростью с=G((h—r)/h), а возникающий отсюда тепловой эффект определяется в 0,00012° с2. Следовательно, астероидные массы, скорости которых при столкновении с солнцем колеблются в зависимости от расстояния между 445 750 и 630 400 м, могли бы при своем падении на солнце дать тепловой эффект от 24 до 48 миллионов градусов, т. е. в 4000—8000 раз больше, чем сгорание равной массы каменного угля.
Так как солнце излучает ежеминутно 12 650 миллионов гросс-калорий или 5,17 квадриллионов тепловых единиц, то количество падающей в каждое мгновение на солнце материи должно было бы составить от 100 000 до 200 000 биллионов килограммов. С первого взгляда это число кажется невероятно большим, но оно тотчас же вводится в должные рамки, если принять в соображение, что луна с ее массой в 90 000 триллионов килограммов, упав на солнце, покрыла бы его тепловые потери за период от 1 года до 2 лет, а земля соответственно — за 50—100 лет. Необходимый для покрытия тепловых потерь солнца поток астероидов, падая на его поверхность, покрывал бы ежеминутно каждый квадратный метр последней массой вещества в 17—34 г. Проистекающее отсюда увеличение диаметра солнца стало бы заметным лишь по истечении 28 500—57 000 лет, достигнув тогда только величины одной дуговой секунды; но, с другой стороны, период обращения земли, а вместе с тем и продолжительность звездного года должны были бы сокращаться на более заметную величину от 7/8 до 1/2 сек. в год. Но так как подобное укорочение совершенно не наблюдается, то следует допустить существование на солнце постоянно чередующихся приливов и отливов, что наилучшим образом согласуется и с законом сохранения силы. В заключение Майер в пользу своей теории падения потока метеорных масс на солнце указывает, что это же явление служит, по-видимому, наиболее вероятной причиной происхождения солнечных пятен и факелов и что в соответствии с выводами, которые должны быть сделаны по вопросу о месте падения астероидов в силу общепринятых воззрений на нашу солнечную систему, солнечные пятна и факелы действительно наблюдаются только в зоне шириною в 30° по обе стороны от солнечного экватора.
Рассмотренным только что сочинением заканчивается ряд основных работ Майера. Конечно, его тема далеко еще не была исчерпана во всех возможных направлениях, однако новые пути были уже почти повсюду проложены, и оставалось только пожинать плоды его трудов. После этого, т. е. после 1848 г., Майер собственно уже не дал ничего нового. Ближайшею причиною того, что он лично дальше не использовал своих идей, были, конечно, постигшие его вскоре вслед за тем тяжелые невзгоды. Долгое время идеи его не получали признания и отсутствовали стимулы к дальнейшей работе. С этой точки зрения следует бесконечно пожалеть, что ни один из университетов, ни одна из академий и ни одно из правительств своевременно не закрепили Майера и его труд, пригласив на работу в той области, в которой он проявил столь огромную творческую деятельность.
Только в маленькой статье размером в восемь страниц, появившейся в 1876 г., Майер развивает дальше основную свою идею и притом в таком направлении, в каком до того никто не думал этого сделать и которое до сих пор едва ли понято и оценено по достоинству. Закон сохранения силы гласит, что все силы способны превращаться друг в друга в определенных отношениях; но он совершенно не говорит о том, что ни одно из этих превращений, ни одно из этих преобразований силы не происходит само собой. Ни одна сила — и это столь же непреложно, как закон сохранения силы — не превращается сама собою: для всякого превращения одной формы силы в другую требуется внешняя причина. Но при этом превращении силы ведут себя самым различным образом. Так, живая сила движения преобразуется при всяком препятствии, которое ей противопоставляется, которое противодействует движению. Но так называемые притягивательные и отталкивательные силы для своего действия и вместе с тем для превращения требуют, наоборот, устранения препятствия. Такое устранение препятствий, или освобождение силы напряжения от сдерживающих ее оков, Майер вообще обозначает словом освобождение (Auslösung); рассмотрению этих-то процессов, скорее бегло намечающему основы, чем детальному, и посвящена указанная выше статья. Положение causa aequat effectum, на котором зиждется закон сохранения силы, перестает быть верным, когда выражения причина и действие мы переносим на случаи освобождения силы, так как в последних эти выражения применяются в совершенно другом смысле. Освобождающая сила не является причиной действия в примененном там смысле, но причиной перехода причины в действие. Эти освобождающие силы мы могли бы назвать причинами второго порядка, и к ним, конечно, можно было бы применить закон сохранения силы, если б можно было с полной уверенностью допустить, что та же самая небольшая освобождающая сила, которая превращает силу напряжения в движение, уже раньше однажды была затрачена в противоположном смысле при превращении живой силы движения в силу напряжения. Однако в рассмотрение этого последнего вопроса Майер не входит. Он только утверждает, что освобождающие силы представляют для закона сохранения силы известный предел, так как никогда нельзя установить отношения между величиною освобожденных сил и величиной необходимых для этого освобождающих сил, — чего, впрочем, не следовало бы утверждать с такой уверенностью. «Бесчисленные процессы освобождения имеют тот общий отличительный для них признак, — говорит он, — что при них уже нельзя измерять единицами; поэтому освобождение вообще уже не является предметом для применения математики. Область математики, как и вообще всякое царство, имеет свои естественные границы, а наша нынешняя область лежит как раз за пределами этих границ. Бесчисленное множество процессов освобождения ускользает от всякого расчета, так как качества нельзя определить численно подобно количествам»... Конечно, здесь Майер имеет в виду преимущественно освобождение движений и ощущений у животных и у людей. В пользу этого говорят и следующие соображения Майера, которые вместе с тем дают яркую картину смелого умственного творчества гениального врача и физика. «Вступая в мир животных существ, мы видим, что вся наша жизнь связана с непрерывным процессом освобождения силы.
Все явления движения, постоянно протекающие при жизни, основаны на освобождении... Произвольные движения происходят, как известно, вследствие сокращений поперечных мышечных волокон, но освобождение происходит вследствие воздействия свободных от ганглий двигательных нервов... Воля передается, правда, совершенно загадочным и непостижимым образом, двигательными нервами соответствующим мускулам, и таким путем тотчас же наступает освобождение, желательное действие. При этом я считаю необходимым обратить внимание на одно обстоятельство, представляющееся мне очень важным, которое, насколько я знаю, еще не привлекало ничьего внимания. Двигательные нервы имеют общий центр с ощущающими нервными корнями, снабженными ганглиями, sensorium commune, и все это устроено таким образом, что любое состояние освобождающего аппарата является решающим для общего самочувствия и общего состояния организма. Приятное ощущение здоровья указывает на нормальное, ничем не нарушенное, состояние аппарата освобождения, между тем как, наоборот, всякое расстройство последнего дает себя знать при посредстве очень неприятных ощущений. Итак, в общем, имеет силу закон, что правильные физиологические освобождения, поскольку, конечно, они не переходят известных границ, вызывают в нас приятные ощущения. На этом именно и основано множество удовольствий, например: прогулки, пение, танцы, плаванье, катанье на коньках и еще многое подобное... Источником приятного самочувствия и радости бывают не только внутренние физиологические освобождения; человеку доставляет удовольствие вызывать и внешние освобождения. Человек по своей природе так устроен, что он любит, применяя незначительные средства, достигать больших результатов. Удовольствие, испытываемое при стрельбе из огнестрельного оружия, свидетельствует об этом очень наглядно... Управление лошадью при езде верхом и в экипаже относится к тому же разряду явлений и т. д. Но если вызывание освобождений является неисчерпаемым источником дозволенных радостей и безобидных удовольствий, то следует, однако, отметить, что это же явление очень часто, к сожалению, приводит к безобразнейшим действиям и наказуемым преступлениям. В основе покушений, как общее правило, лежит, без сомнения, стремление добиться каких-нибудь значительных результатов, т. е. достичь возможно более сильных освобождений. Так именно обстоит дело с поджогами или страшными попытками вызвать гибель целых поездов с помощью каменных глыб, положенных на рельсы. Да если бы наша планета была создана таким образом, что каждый желающий мог бы ее взорвать, как какой-нибудь сосуд с динамитом, то, несомненно, всегда нашлись бы люди, готовые даже ценою собственной жизни добиться того, чтобы наша прекрасная земля взорвалась и разлетелась на куски в мировом пространстве».
Майер охватил свою задачу настолько широко, насколько это было возможно. Он настолько выяснил, очистил и ограничил понятие о силе, что закон сохранения силы вытекал из него, как основная аксиома физики, которая, будучи достоверной сама по себе, не требовали уже дальнейших доказательств. Только для того, чтобы представить этот закон более наглядно, он сначала установил закон сохранения силы при переходе теплоты в механическую работу, а потом рассмотрел и другие встречающиеся в природе случаи превращения сил. Правда, по условиям своей жизни он не имел возможности производить собственных опытов и измерений, но зато он воспользовался, — и это мы должны определенно констатировать, — с большим искусством и знанием дела лучшими имевшимися в то время измерениями. Далее, ему первому на этом пути удалось установить отношение между теплотой и механической силой при их превращениях — с такой точностью, какая только тогда была возможна. Для остальных сил он этого, конечно, не сделал, за отсутствием соответствующих подготовительных работ и соответствующей системы мер. Он мог показать только качественно, что повсюду в природе всякому возникновению силы соответствует затрата силы; и в этом смысле он с большой полнотой и знанием дела вскрыл почти все источники сил в природе,— даже там, где они, несмотря на значительность порождаемых ими сил, казались скрытыми.
Едва ли, впрочем, можно сомневаться в том, что работа Майера требовала дополнения, что закон сохранения силы должен был быть твердо установлен с количественной стороны для всех вообще возможных в природе случаев превращения силы, что раньше, чем этот закон мог быть признан непреложной физической истиной, следовало, в противоположность Майеру и дополняя его, привести доказательство этого закона, исходя из частных явлений и восходя затем к общему. Легко также понять, что этот последний путь должен был представляться физикам и более надежным и более понятным, чем первый путь. Этим именно вторым путем и пошел тотчас после появления первой работы Майера, но независимо от него, английский физик Джемс Прескотт Джоуль. Его первая работа по этому вопросу, озаглавленная «On the Calorific Effects of Magneto-Electricity and the mechanical Value of Heat» («О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении теплоты»), была им доложена 21 августа 1843 г. физико-математической секции Британской ассоциация в Корке.
Занимаясь уже в течение довольно долгого времени исследованием процесса образования тепла при электрическом токе, Джоуль объяснял эту теплоту химическими превращениями, происходящими в батарее, и к той же причине сводил «скрытую» теплоту при электролизе воды. Поэтому, когда перед ним теперь встал вопрос, откуда берется теплота в соединительном проводе при прохождении через него магнитоэлектрического тока, — возникает ли она здесь впервые или же она только переносится из одной части прибора в другую, то под влиянием вышеупомянутых своих исследований он стал склоняться в сторону второго мнения, тем более что открытое в то время Пельтье явление образования холода при прохождении электрического тока говорило, по-видимому, тоже в пользу этого мнения. Для того чтобы разрешить вопрос, какая из этих двух возможных точек зрения является правильной, Джоуль поместил в стеклянный сосуд с водою небольшой электромагнит и, плотно закупорив этот сосуд, привел его в быстрое вращательное движение между полюсами сильного неподвижного электромагнита, соединенного с гальванической батареей. Для того чтобы иметь возможность определить интенсивности возникающих при этом индуцированных токов, концы соответствующих проводов были присоединены к очень чувствительному гальванометру. Вращение подвижного электромагнита производилось со скоростью 600 оборотов в минуту, причем попеременно четверть часа при замкнутой цепи тока и четверть часа — при разомкнутой. Так как и при последних условиях, обычно получалось некоторое количество теплоты, то Джоуль вычитал его из тепла, получавшегося в первом случае, и таким образом определял количество теплоты, действительно выделенной индуцированным электричеством. Сопоставление нижеследующих средних результатов, полученных им из шести рядов опытов, позволило ему установить следующий названный по его имени закон:
Теплота, развиваемая благодаря действию магнитоэлектрических машин (ceteris paribus, т. е. при прочих равных условиях), пропорциональна квадрату силы тока.
Результаты этих опытов сделали совершенно невозможной идею о простом переносе тепла электрическим током. Кроме того, Джоуль заметил, что теплоту, развиваемую в цепи гальваническим током, он мог по желанию усиливать и ослаблять при помощи магнитоэлектрических токов; отсюда он сделал общее заключение, что теплоту можно уничтожать или развивать и с помощью механических сил, если только применить для этого магнитоэлектричество в качестве посредствующей силы.
При помощи машины Джоуля теперь было также очень легко определить, в каком отношении механическая сила, приводящая во вращение электромагнит, превращается в теплоту. Джоулю нужно было только непосредственное вращение электромагнита от руки заменить вращением при помощи падающего груза, чтобы таким образом прямо определить величину механической работы, необходимой для получения определенного количества теплоты. Таким именно путем он получил следующий средний результат:
«Количество тепла, которое в состояние нагреть 1 фун. воды на 1 ° F, равно и может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фун. на вертикальную высоту в 1 фут».
Этот вывод Джоуль сопровождает только двумя замечаниями: первое гласит, что лучшие паровые машины дают лишь десятую часть той работы, которую мог бы дать сжигаемый в них уголь, а второе, что, тем не менее, электромагнитные машины, приводимые в движение каком-либо из применяемых ныне батарей, никогда не могут превзойти паровых машин в экономическом отношении.
В постскриптуме 1 от августа 1843 г., помещенном в этой же работе, датированной июлем, он, зато идет гораздо дальше и вкратце развивает идеи, которые по своей смелости почти «приближаются к идеям Майера 1845 г. и убедительным образом свидетельствуют о независимости хода мыслей Джоуля от предшествующих работ Майера. В своих работах Джоуль видит ясное доказательство того, что теплота, выделяющаяся при сверлении пушечных стволов, приведшая Румфорда к его кинетической теории теплоты, возникает вследствие трения, а не вследствие уменьшения теплоемкости металла. Для того чтобы подкрепить эту мысль, он также привел в движение поршень с пробуравленными отверстиями в сосуде с водой и отсюда определил механический эквивалент равным 770 футофун. (423 кгм). В том же постскриптуме он обещает в ближайшем времени повторить и расширить свои опыты, будучи убежден, «что могучие силы природы, созданные велением творца, неразрушимы и что во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получается точное эквивалентное количество теплоты». Он также утверждает, что животная теплота возникает вследствие химических превращений, происходящих в теле, и полагает, что при механической работе, например при вращении машины или при восхождении на гору, должно иметь место соответствующее уменьшение количеств тепла, образующегося в теле. Наконец,— и это является наиболее глубокой из его идей, — он утверждает, что сила химического сродства определяется «падением атомов». Он исчисляет, например, что 8 фун. кислорода и 1 фун. водорода, взятые в газообразном состоянии, соединяясь со взрывом, способны нагреть 60 000 фун. воды на 1° F или поднять на высоту 1 фут. груз в 50 000 000 фун., и полагает, что те же вещества, будучи соединены в жидком состоянии, дали бы меньше тепла, «так как при своем соединении атомы пробегали бы меньшие пути».
Дальнейшая очень интенсивная работа Джоуля была направлена; к тому, чтобы на самых разнообразных случаях превращения механической силы в теплоту индуктивно доказать постоянство отношения их превращения и определить величину последнего с максимальной возможной точностью. С этой целью он в 1845 г. опубликовал новую работу «On the Changes of Temperatur produced by the Rarefaction and Condensation of Air» («Об изменениях температуры, вызванных разрежением и сгущением воздуха»). Здесь описан следующий опыт: нагнетательный насос вместе с приемником был погружен в резервуар с водой; затем воздух в приемнике сжимался до 22 ат и измерялась выделяющаяся при этом теплота. Эти опыты, интересные также с точки зрения экспериментальной техники, как по принятым здесь мерам предосторожности (для обеспечения постоянства температуры поступающего внутрь воздуха), так и по необходимым поправкам (на трение поршня и на теплоту, возникающую при перемешивании воды), дали для теплового эквивалента величину в 795 футофун. (436 кгм). Из хорошего соответствия этого числа полученным раньше данным Джоуль снова сделал тот вывод, что образовавшаяся теплота есть не что иное, как иная форма проявления механической силы, примененной при сжатии воздуха.
Дальнейшие опыты только укрепили его в этом воззрении. Джоуль соединил два равных приемника трубкой и в одном из них воздух сжал до 22 ат, а из другого воздух выкачал. Когда затем он поместил оба приемника в сосуд с водой и сообщил между собой оба приемника так, что воздух мог свободно перейти из одного в другой, то температура воды не изменилась. Но когда приемники были помещены в отдельные сосуды с водою, то при перетекании воздуха в одном сосуде произошло охлаждение на 2°,36, а в другом нагревание на 2°,38 на каждый фунт воды. Далее, с целью точного измерения, приемник со сжатым воздухом был помещен в сосуд с водой и воздух из приемника выпускался через пневматическую ванну в другой сосуд, где количество поступающего воздуха могло быть легко измерено. Из различных рядов подобных опытов Джоуль получил механический эквивалент в 823, 795, 820, 814 и 760 футофун., причем среднее из трех последних чисел, или 798 футофун. (438 кгм), Джоуль признал наиболее надежным. Кроме того, эти результаты подтвердили важное открытие Дюлонга, который показал, что когда равные объемы газов, при равных температурах и одинаковых давлениях, внезапно сжимаются или расширяются на одну и ту же долю своего объема, то они выделяют или поглощают равные абсолютно количества теплоты. Но приведенный выше опыт, при котором, несмотря на расширение воздуха до двойного его объема, не произошло никакого охлаждения, Джоуль рассматривает как вернейшее доказательство того, что теплоту следует считать не веществом, а движением составных частей тела. Наряду с этими воззрениями на новую теорию теплоты, к которым мы еще вернемся, Джоуль снова высказывает свое твердое убеждение в абсолютной правильности закона сохранения силы. Он убежден, что теория Карно, допускающая получение механической работы за счет теплового тока, противоречит истине, так как она приводит к выводу, что при нецелесообразном устройстве паровых машин может иметь место уничтожение живой силы. Полагая, «что мощью разрушать обладает лишь творец», он соглашается «с Фарадеем и Роже в том, что всякая теория, приводящая в своих последствиях к возможности уничтожении сил, по необходимости не верна».
В 1845 г. в письме к издателям журнала «Philosophical Magazine» Джоуль опять описывает свои новые опыты. Приводя so вращение горизонтально помещенное в сосуде с водою колесо с черпаками, он из этого опыта исчислил механический эквивалент теплоты в 890 футофун. (489 кгм). Из тепла, которое развивает вода при протекании через узкие трубки, та же величина определилась в 774 футофун. (424 кгм). Теперь Джоуль считал наиболее правильным числом 817 футофун. (448 кгм).
После того как в работе 1847 г. он снова описал свои опыты с горизонтальным колесом, которые дали в среднем эквивалент в 781,8 футофун. (429 кгм), он в 1850 г. пришел к наиболее точным измерениям, а вместе с тем создал свою главную работу, в которой он сопоставил все полученные им до того времени результаты. Вслед за историческим введением он дает описание пяти рядов произведенных им опытов. В первом из них, наиболее обширном, опыты производились с плотно закупоривающимся медным цилиндром с водою, в котором вращалось медное колесо с черпаками. Во втором и третьем рядах опытов аналогичный цилиндр был чугунный, а жидкостью служила ртуть, колесо же было сделано из кованого железа. В обоих рядах этих опытов, с целью по возможности воспрепятствовать перемещению самой жидкости, на внутренней поверхности цилиндров были устроены радиально перегородки с прорезами для лопаток колеса. В четвертом и пятом рядах опытов теплота получалась в чугунном резервуаре со ртутью благодаря трению чугунного диска, укрепленного на подвижной оси, по такому же диску, укрепленному свинцовыми грузами. Результаты всех этих опытов, с поправками на все возможные возмущающие явления, были составлены Джоулем в следующей таблице:
Это сочинение, а вместе с тем и свои специальные исследования по вопросу о механическом эквиваленте тепла Джоуль заканчивает следующими словами: «В высшей степени вероятно, что эквивалент, полученный по чугуну, получился несколько выше потому, что при трении отрывались частицы металла и, следовательно, некоторая часть силы шла на преодоление сцепления. Но так как количество это было не настолько велико, чтобы его можно было по окончании опыта взвесить, то связанная с ним ошибка незначительна. По моему мнению, число 772,692, полученное из трения воды, является наиболее точным как вследствие большого числа опытов, так и вследствие значительной теплоемкости аппарата. А так как даже при опытах с жидкостями невозможно устранить полностью ни сотрясений, ни хотя бы тихих звуков, то приведенное число, вероятно, еще несколько велико. Поэтому я прихожу к заключению, что на основании приведенных в настоящей работе опытов можно считать доказанным: 1) что теплота, развивающаяся при трении тел, будь то тела твердые или жидкие, всегда пропорциональна примененной силе и 2) что для получения количества тепла, которое в состоянии нагреть 1 фун. воды (взвешенного в пустоте и между 55° и 60° F) на 1° F, необходимо употребить механическую силу, которая может быть представлена падением 772 фун. с высоты 1 фут.» (424 кгм для 1° С). В работах Джоуля эквивалентность теплоты и механической работы стоит на первом плане; наибольшие усилия его направлены к тому, чтобы доказать эту эквивалентность и дать возможно более точное количественное определение этого отношения. Теория теплоты как движения стоит у него уже на втором плане, а общая проблема, закон сохранения силы, — на последнем. Это не значит, что Джоуль был меньше уверен в правильности этого закона, чем Майер, или что он представлял его себе в менее общем виде, чем последний; но его как экспериментатора меньше интересовала принципиальная сторона этого закона, его философское обоснование, равно как вопрос о его всеобщей применимости ко всем явлениям природы. В этом отношении Джоуль представляет собою прямую противоположность Майеру. В то время как последний обращается прежде всего, к вопросу о принципиальной возможности закона и дедуктивно обосновывает применимость его ко всем явлениям природы, пользуясь эмпирическими определениями только для иллюстрации, — поскольку это позволял имеющийся наличный материал наблюдения, — Джоуль старается доказать этот закон путем самых тщательных опытных определений для двух наиболее распространенных в природе сил — для тепла и механической работы, — и найденный им здесь закон он распространяет на прочие явления природы лишь мимоходом, как нечто само собою разумеющееся. Таким образом, оба они, натурфилософ и эмпирик, идут к одной и той же цели, независимо друг от друга, каждый не вполне односторонне, т. е. не упуская вполне из виду и противоположной стороны, и отличаясь друг от друга лишь тем, что у одного из них преобладает дедукция, а у другого индукция. Поэтому и спор о том, кого из них обоих следует считать настоящим, бо'льшим творцом закона, не имеет смысла и сводится, в конце концов, не к оценке обеих гениальных личностей, а к сравнению двух методов физики — натурфилософского и экспериментального, — сравнению, которое, если даже отвлечься от одностороннего интереса арбитров, ни к чему привести не может, так как эти методы как несоизмеримые величины, покоящиеся на совершенно различных единицах измерения, не поддаются сравнению.
Если сказать, что введение б физику такого основного и всеобщего закона, как закон сохранения силы, потребовало совместного усилия всех трех методов физики — умозрения, опыта и математического анализа, — то это может показаться произвольным утверждением, сделанным в угоду предвзятой схеме; а между тем, так оно и было в действительности.
Наряду с Майером, обосновавшим этот закон с точки зрения теории познания, и Джоулем, доказавшим его чисто опытным путем, потребовалась еще работа математика со свойственными ему приемами исследования. Основание такому изучению закона с математической точки зрения, правда, незавершенному еще и до сих пор, положил Г. Гельмгольц в 1847 г. своей работой «Über die Erhaltung der Kraft» («О сохранении силы»).
Работа эта, по самой природе вещей, стоит ближе к исследованиям Майера, чем к работам Джоуля. Натурфилософия и математика как дедуктивные науки исходят из общих принципов и стараются охватить ими все случаи, тогда как эмпирик, имея в виду лишь начало пути, может и не думать о том, что лежит в его конце. Гельмгольц подходит к вопросу с физико-математической точки зрения правильно, рассматривая закон сохранения силы как гипотезу, допустимую с точки зрения природы нашей познавательной способности; затем он отсюда математически выводит частные количественные законы действия для всех отдельных явлений природы и далее смотрит, насколько отдельные силы природы удовлетворяют выведенным законам или насколько опыты им противоречат, одним словом, — в какой мере основное начало подтверждается опытом.
Основное положение, что для каждого изменения в природе должна существовать достаточная причина, побуждает нас, — говорит Гельмгольц, — искать неизвестные причины процессов в видимых проявлениях последних. «Ближайшие причины, которые мы кладем в основание явлений природы, сами по себе могут быть неизменными или же изменчивыми; в последнем случае то же основное положение побуждает нас опять-таки искать причины этой изменчивости. Продолжая таким образом, мы доходим, наконец, до последних причин, которые действуют по неизменному закону, т. е. которые во всякое время, при одних и тех же внешних отношениях, вызывают одно и то же действие. Таким образом, конечной целью теоретических наук о природе должно быть открытие последних неизменных причин явлений природы». Если, согласно сказанному, представить себе мир разложенным на элементы с неизменными силами (неизменными качествами), то «единственно еще возможными изменениями в такой системе будут изменения пространственные, т. е. движения; а внешними отношениями, под влиянием которых видоизменяется действие сил, могут быть также только пространственные; следовательно, силами будут только силы движения, зависящие в своем действии только от пространственных отношений». «Но сила, действующая между двумя целыми массами, должна быть разложена на силы, действующие между всеми их частями; поэтому механика обращается к силам материальных точек, т. е. точек пространства, заполненного материей. Но между точками нет иных взаимных пространственных отношений, кроме их расстояния, так как направление соединяющей их линии может быть определено не иначе, как в отношении, по крайней мере, к еще двум другим точкам. Поэтому сила движения между двумя точками может быть также только причиной изменения их взаимного расстояния, т. е. быть силой притяжения или отталкивания. Это следует также прямо из закона достаточного основания. Силы, действующие между двумя массами, необходимо должны быть определены по своей величине и направлению, как только положение масс полностью дано. Но две точки определяют вполне только одно направление, а именно — направление соединяющей их линии; следовательно, силы, действующие между точками, должны быть направлены по этой прямой и их интенсивность должна зависеть только от расстояния. Таким образом, окончательно задача физических наук о природе заключается в том, чтобы явления природы свести к неизменным притягательным и отталкивательным силам, величина которых зависит от расстояния».
Неизменяемость этих сил, равно как и самые силы, может быть познана только путем построения гипотез, а не непосредственно: о ней можно судить только по действиям сил. Последние бывают двух родов. Силы притяжения и отталкивания, действуя между элементами, могут либо действительно приводить последние в движение, развивая, таким образом, некоторую «живую силу», либо они создают между элементами только известное напряжение. Живая сила элемента измеряется mv2, или, еще лучше, как предлагает Гельмгольц, 1/2mv2. Сумма же всех сил напряжения, действующих на данном участке, может быть выражена величиною площади кривой напряжения. Эта кривая получается, если величины сил, действующих в отдельных точках отрезка, отложить в качестве ординат на этом отрезке; тогда сумма сил напряжения будет равна
где f обозначает интенсивность силы в каждой точке, a R и r расстояния начальной и конечной точек отрезка от некоторой неподвижной точки. Для системы материальных точек, подверженных действию только таких сил, в направлении которых лежат линии соединения точек, и интенсивность которых зависит только от взаимного расстояния последних, Гельмгольц легко приходит к следующему уравнению:
выражающему принцип сохранения силы в самом общем виде. В словесной форме последний формулируется следующим образом: «Во всех случаях движения свободных материальных точек под влиянием их притягательных и отталкивательных сил, интенсивность которых за висит только от расстояния, потеря в количестве силы напряжения всегда равна приращению живой силы, а приращение первой — потере торой. Следовательно, сумма всех живых сил и сил напряжения является всегда величиной постоянной».
Результаты своих исследований Гельмгольц резюмирует в следующих положениях: «1) Всякий раз, когда тела природы действуют друг на друга под влиянием их притягательных или отталкивательных сил, не зависящих ни от времени, ни от скоростей, сумма сил напряжения и живых сил в системе должна оставаться постоянной, и, следовательно, максимум работы, которая может быть получена, является величиной определенной, конечной. 2) Если же между телами действуют силы, зависящие от скоростей и времени или действующие по направлениям, не совпадающим с прямыми, соединяющими попарно деятельные материальные точки — например, силы вращательные, то возможны такие сочетания этих тел, при которых сила либо теряется, либо выигрывается до бесконечности. 3) При равновесии системы тел под действием центральных сил внутренние и внешние силы должны взаимно уравновешиваться, если только мы примем, что тела системы связаны между собою неподвижно и что только вся система в целом может перемещаться относительно вне ее лежащих тел. Следовательно, твердая система подобных тел никогда не может быть приведена в движение под действием внутренних сил, а только под влиянием внешних сил. Если бы, значит, существовали другие силы, кроме центральных, то можно было бы создавать такие прочные соединения тел природы, которые двигались бы сами собою, не нуждаясь в какой-либо связи с другими телами».
Эти общие положения о природе сил, удовлетворяющих принципу сохранения силы, принадлежат к наиболее спорным во всей этой области. Из убеждений о невозможности perpetuum mobile (вечного двигателя), доказанного индуктивно опытным путем или выведенного дедуктивно из условий нашего познания, с необходимостью вытекает обязательность принципа сохранения силы для всех явлений природы. Тем самым вышеприведенные положения признают невозможность существования в природе каких-либо иных сил, кроме живых или центральных. Но вот еще за год до появления данной работы Гельмгольца В. Вебер пришел к выводу, что силы, с которыми действуют друг на друга движущиеся частицы электричества, зависят не только от их взаимных расстояний, но также от их скоростей и даже от их ускорений. Следовательно, по Гельмгольцу такие электродинамические силы не должны были бы подладить под действие закона сохранения силы и допускали бы такие сочетания, при которых возможны как потеря, так и выигрыш силы до бесконечности. Но вскоре затем Вебер показал, что и принятые им силы имеют потенциал, представляют, следовательно, во всех случаях определенное количество работы и удовлетворяют, таким образом, принципу сохранения силы. Позднее и Клаузиус, подобно Веберу, принял зависимость электродинамических сил от скорости и тем самым тоже перешел через границы, проведенные Гельмгольцем. Наконец, в новейшее время Вейраух пришел к выводу, что и в теории упругости твердых тел одного допущения центральных сил недостаточно для объяснения явлений. Подобные силы, действующие между двумя частицами массы по прямой, соединяющей последние, но зависящие не только от расстояния между частицами, но также и от их движения, он называет стержневыми. Исследование этих сил приводит его к положению, что и к ним применим закон сохранения энергии, если только работа действующих сил в определенный момент вообще выражается полным дифференциалом, хотя бы это не был полный дифференциал чистой функции координат, т. е. если Sdl (где S обозначает действующие стержневые силы, l — расстояние между частицами масс) есть вообще полный дифференциал какой-либо функции. Позднее, в прибавлениях к своей работе, Гельмгольц определенно отмечает, что данное им доказательство принципа сохранения силы, ограничивавшее его применимость одними центральными силами, было слишком узко и что, следовательно, второе из вышеприведенных его положений было сформулировано слишком широко. Вот его собственные слова по поводу этого положения: «Это положение сформулировано тоже слишком широко, так как мы вынуждены ограничить предшествующие общие положения случаями, для которых имеет место равенство действия и противодействия. Но если мы последнее отбросим, то установленный недавно Клаузиусом основной электродинамический закон представляет собою случай, когда силы, зависящие от скоростей и ускорений, все-таки не могут порождать движущих сил до бесконечности».
Вслед за общим рассмотрением принципа сохранения силы Гельмгольц обращается к специальным применениям и вместе с тем к проверке этого закона на частных случаях. Этот закон был признан и применялся уже давно во всех проблемах механики, при которых не приходилось считаться с трением или ударом неупругих тел. Но всякий раз, когда механические движения уничтожаются вследствие удара или трения, когда световые и тепловые лучи уничтожаются вследствие поглощения, — происходит повышение температуры, иногда же возникает электрическое напряжение, а при поглощении света нередко также фосфоресценция или химическое действие. Если оставить в стороне последние явления, так как в них пока еще слишком много темного, то возникает вопрос, каким образом возникшая теплота может быть рассматриваема как эквивалент исчезнувшей силы. Если бы теплота была веществом, то эквивалентом силы могла бы быть только работа, производимая теплотой при ее переходе от более высокой температуры к более низкой. Карно и Клапейрон разрабатывали данную проблему именно в этом духе и нашли, что все выводы из такой эквивалентности оправдываются, по крайней мере, для газов и паров. Но материальная теория теплоты неприемлема; из опытов над теплотой от трения, равно как из опытов получения и уничтожения теплоты действием электрического тока, необходимо следует, что теплота представляет собою не вещество, а движение. В силу этого известное количество свободной теплоты должно представляться нам как некоторое количество живой силы этого движения, а количество так называемой скрытой теплоты как величина того молекулярного напряжения, которое при изменении состояния тел может вызвать тепловые движения. «Для фактического доказательства положения, что определенной величине механической силы всегда соответствует определенное количество тепла, мы имеем пока лишь несовершенные опыты Джоуля; впрочем, с этим законом согласуются также исследования и исчисления Гольтцмана. При получении тепла путем химического действия закон сохранения силы должен совпасть с законом Гесса («Pogg. Ann.» L, стр. 392 и LVI, стр. 598), согласно которому при химическом соединении нескольких веществ в один и тот же продукт всегда получается одинаковое количество тепла, в каком бы порядке и через какие бы промежуточные ступени ни проходил акт соединения.
Наиболее плодотворным оказывается этот принцип в применении к учению об электричестве и магнетизме. Если m1 и m2 представляют собою два элемента электрических или магнитных масс, то сила ихпритяжения
а выигрыш живой силы, при уменьшении их расстояния от 
до r, в предположении, что их электрическое или магнитное состояние в остальном не изменяется, равен
Если вместе с Гауссом назвать величину — m1m2/r потенциалом, то приращение живой силы при каком-либо движении следует считать равным превышению потенциала в конце пути над потенциалом в начале его. Если же при этом изменяется и электрическое состояние частичек, то следует еще сверх того принять во внимание потенциалы обоих тел по отношению к самим себе. Если мы обозначим эти потенциалы соответственно через W1 и W2, а потенциал этих тел друг по отношению к другу через V, то легко доказать, что прирост живой силы должен быть равен сумме
Обозначим, далее, через C1 свободное напряжение положительного электричества, имеющегося на каком-либо проводнике в количестве Q, через С2 — напряжение равного количества отрицательного электричества на другом проводнике, тогда количество сил напряжения, вызванных электризацией проводников, будет равно Q(C1—C2)/2, если в качестве меры свободного напряжения принять то напряжение, которое вызывается единицей электричества на шаре с радиусом, равным единице. При разряде электричества эта сила напряжения уничтожается, вследствие чего в соединительном проводе выделяется теплота; количество этой теплоты должно быть равно
где а обозначает механический эквивалент теплоты. Если этот закон применить к лейденской банке, внешняя обкладка которой не изолирована и емкость которой можно положить равной S, то С2=0 и Q=CS; тогда
или
Эти выводы подтверждаются измерениями Рисса («Pogg. Ann.», XLIII, стр. 47), который нашел, что образующаяся теплота пропорциональна Q2/S, равно как и опытами Форсельман-де-Геера («Pogg. Ann.», XLVIII, стр. 292) и Кнохенгауера («Pogg. Ann», LXII, стр. 364 и LIV, стр. 64), которые нашли, что теплота не зависит от соединительного провода.
Вольтовское понятие о контактном электричестве находится в противоречии с принципом сохранения силы, поскольку это понятие не включает в себе необходимости химических процессов. Но если допустить это последнее, если принять, что проводники второго класса не входят в гальванической ряд напряжения лишь потому, что они проводят электричество только путем электролиза, то понятие контактной силы тотчас же существенно упрощается и сводится к силам притяжения и отталкивания. В самом деле, все явления на проводниках первого класса могут быть легко выведены из допущения, что различные химические вещества имеют различные силы притяжения по отношению к обоим электричествам и что эти притягательные силы действуют лишь на неизмеримо малых расстояниях, между тем как электричества действуют друг на друга и на больших расстояниях. Тогда контактная сила заключалась бы в разности силы притяжения, которое проявляют частицы металла, вплотную прилегающие к месту соприкосновения, по отношению к электричествам, а электрическое равновесие наступало бы, когда электрическая частица при своем переходе от одного металла к другому не выигрывает и не теряет в живой силе.
При применении закона сохранения силы к гальваническому току следует рассматривать, главным образом, следующие действия: выделение теплоты, химические процессы и поляризацию. В цепях тока без поляризации, если принцип сохранения силы должен иметь здесь применение, электродвижущая сила двух сочетаемых металлов должна быть пропорциональна разности количеств теплот, которые должны образоваться при их сгорании; поэтому в таких цепях, в которых химические процессы одинаковы, и электродвижущие силы должны быть тоже равны, с чем очень хорошо согласуются некоторые измерения Поггендорфа («Pogg. Ann.», LIV, стр. 429 и LVII, стр. 104). Цепи с поляризацией следует разделить на такие цепи, которые дают одну только поляризацию без химического разложения, и на цепи, в которых имеют место и то и другое. Ток последних можно рассматривать как состоящий из непостоянного, или поляризационного, тока и постоянного тока, или тока разложения. К последнему применимы все соображения, изложенные по отношению к постоянным токам без выделения газов. Вследствие поляризации теряется часть силы первоначального тока, но эта потеря должна быть получена обратно в виде вторичного тока. При термоэлектрических токах закон сохранения силы может иметь место лишь при условии, если теплота, развиваемая током, по закону Ленца, во всей цепи, и теплота, развиваемая, согласно опытам Пельтье, в более холодном спае, равны количеству тепла, поглощаемого в нагретом спае. Из этих допущений может быть затем выведен закон электротермических действий, для которого, однако, до сих пор еще не имеется проверочных опытов.
Так как магнитные явления, подобно электрическим, объясняются допущением двух жидкостей, которые отталкиваются в обратном отношении к квадратам расстояний, «то уже на основании сказанного в начале нашего исследования следует, что при движении магнитных тел друг по отношению к другу (как при движении наэлектризованных тел) сохранение силы должно иметь место». В частности Гельмгольц доказывает, что, как и в электричестве, приращение живой силы при движении магнитных тел с изменяющимся распределением магнетизма измеряется изменением суммы V+1/2(Wa+Wb). Когда магнит движется под влиянием тока, то приобретаемая им при этом живая сила должна возникать за счет сил напряжения, расходуемых током.
«Последние за частицу времени dt составляют, по принятому нами выше способу обозначения, величину AJdt в тепловых единицах, или aAJdt в механических, если а — механический эквивалент теплоты. Живая хила, развивающаяся в цепи тока, есть aJ2Wdt, а приобретенная магнитом 
где V — потенциал магнита по отношению к проводнику, по которому пробегает единица тока. Таким образом
следовательно,
Величину
можно рассматривать как новую электродвижущую силу, а именно — электродвижущую силу индукционного тока. Она действует всегда обратно той силе, которая двигала бы магнит в направлении, которое он имеет, или увеличивала бы его скорость. Так как эта сила не зависит от силы тока, то она остается такою же и в том случае, когда перед движением магнита тока вовсе не было». Согласно сказанному закон индукции может быть выражен следующим образом: «Вся электродвижущая сила индукционного тока, вызываемого перемещением магнита относительно замкнутого проводника тока, равна происходящему при этом изменению потенциала магнита относительно проводника, по которому мыслится проходящим ток 1/a.
Единицей электродвижущей силы является тогда такая сила, которая вызывает произвольную единицу тока в единице сопротивления. Последней же является такое сопротивление, в котором принятая единица тока выделяет в единицу времени единицу тепла. Этот же закон встречается и у Неймана, но только последний вместо 1/a берет неопределенную постоянную e». Гельмгольц доказывает правильность этого закона для всех случаев индукции, за исключением тех, когда индукция вызывается изменением силы тока, так как здесь вследствие невыясненности еще формы нарастания тока трудно придти к каким-либо заключениям.
Указав, наконец, в очень коротких словах на химические лучи солнечного света как на единственный источник сил растений и животных и правильно отбросив как неверное утверждение Маттеуччи, будто цинк, растворяясь в серной кислоте, дает одно и то же количество тепла, как при непосредственном его растворении, так и в том случае, когда он вместе с платиной образует гальванический элемент, Гельмгольц заключает свою работу следующими замечательными словами: «Изложенным выше, полагаю, мне удалось доказать, что рассматриваемый закон не противоречит ни одному известному явлению в области естествознания, а многими из них он весьма наглядно подтверждается. Я постарался возможно полнее изложить те последствия, которые вытекают из сочетания этого закона с известными до сих пор законами естественных явлений, и которые требуют еще экспериментального подтверждения. Целью настоящего исследования, из-за которой, надеюсь, мне простят его гипотетические части, являлось желание доказать физикам с возможной полнотой теоретическую, практическую и эвристическую важность этого закона, полное подтверждение которого представляет собой, пожалуй, одну из основных задач ближайшего будущего физики».
Установление закона сохранения силы не было делом одного или нескольких исследователей, оно было обусловлено развитием всей науки, в которой уже с самого начала столетия все сильнее чувствовалась тенденция к окончательному установлению этого закона. Но, конечно, закон должен был быть сначала официально провозглашен и технически зафиксирован в словах и формулах, прежде чем он стал известен всему научному миру и, еще больше, им был признан. Бесспорно первым и, быть может, наиболее оригинальным глашатаем его был Майер, подготовивший почву для этого закона изменением понятия о силе. Почти одновременно и независимо от него, но все-таки после него, Джоуль точнейшими измерениями доказал постоянство силы при превращениях механической работы и тепла. Независимо от Майера, но уже, по-видимому, будучи знаком с первыми работами Джоуля, Гельмгольц в свою очередь пытается распространить этот закон на всю область физики, идя, однако, при этом не философским путем, как Майер, а математическим. Сделать определенный выбор между этими тремя исследователями, а также и некоторыми другими, имевшими также немалые заслуги в деле установления и применения этого закона, и решить, кому из них, как какому-нибудь изобретателю в области техники, следовало бы выдать патент на открытие, — это значит, по моему мнению, совершенно не понимать ни сущности, ни значения нового воззрения, которое было достигнуто только в результате полного переворота в научных воззрениях.
Это ясно следует также из дальнейшей истории этого закона. Быстрое принятие и правильная оценка работ Майера и Гельмгольца были затруднены преимущественно двумя обстоятельствами. Часть физиков вообще придавала мало значения общим рассуждениям о силах, признавала полезным только специальное опытное исследование отдельных физических факторов, опасалась в утверждении тождества всех сил и возможности всестороннего их превращения получить новое издание старой опостылевшей всем натурфилософии и полагала, что от этих новых идей, во всяком случае, следует ожидать вредного отклонения работ от заведомо плодотворного эмпирического метода. Другая же часть физиков, наоборот, смотрела на закон сохранения сил как на давно признанный идеал физики, к которому наука будет все более и более приближаться, но к которому нельзя приблизиться при помощи упомянутых выше общих рассуждений.
Таким образом, с обеих этих сторон не было никаких побудительных оснований к тому, чтобы обратить особое внимание на упомянутые работы, скорее были достаточные основания, чтобы их совершенно обходить молчанием. Поэтому первая работа Майера осталась как бы совершенно незамеченной: о ней не было упомянуто ни слова, как в научных журналах, так и в других изданиях. А по поводу приема, оказанного работе Гельмгольца, сам автор сообщает в характерных выражениях: «Я был до известной степени изумлен сопротивлением» встреченным мною в кругу специалистов: в помещении моей работы в «Анналах» Поггендорфа мне было отказано, а среди членов Берлинской академии наук один лишь К. Г. Я. Якоби, математик, стал на мою сторону. В те времена новыми убеждениями еще нельзя было достичь славы и повышения, скорее можно было добиться обратного». Для работ Джоуля условия были более благоприятны. Против них первая группа физиков не могла выставить своих тенденциозных сомнений» другая же не могла не признать их фактической важности. Поэтому работы Джоуля должны были показаться, по крайней мере, на первых порах, действительной основой прогресса в физике. Постоянство отношения при превращении теплоты и механической силы, которое уже давно было высказано в принципе, было здесь доказано надежным экспериментальным путем. При таком положении дела каждому из новаторов оставалось пока обеспечить для себя самих плоды своих идей и постараться собственными работами сделать полезной эту бесспорно плодотворную область. Но когда физики занялись более углубленно работами Джоуля, они пришли и к лучшей оценке более общих воззрений Майера и Гельмгольца; а вскоре затем в положении вещей произошел крутой поворот, проявившимся в многочисленных спорах о первенстве открытия, еще так недавно казавшегося неважным.
Уже в 1845 т., в сочинении «Über die Wärme und Elasticität der Gase und Dämpfe», Mannheim 1845 («О теплоте и упругости газов и паров») Гольтцман вычислил механический эквивалент — тем же путем, как и Майер, и почти с тем же результатом — из отношения теплоемкости воздуха при постоянном давлении и при постоянном объеме; но при этом он продолжал придерживаться воззрения Карно на действие теплового вещества путем его падения. Сэген старший опубликовал в 1847 г. работу «Note á l'appuide l'opinion émise par M. Joule sur l'identité du mouvement et du calorique» («Замечание в подтверждение высказанной г. Джоулем мысли о тождестве движения и теплорода», в которой он обратил внимание на то обстоятельство, что уже в сочинении своем «Études sur 1'influence de chemins de fer», Paris 1839 («Очерки о влиянии железных дорог») он констатировал тождество природы и общность происхождения теплоты, потребляемой паровой машиной, и производимого ею движения. Далее, он сообщает, что на эту мысль его уже давно навел его дядя Монгольфье и что он рассчитывал подтвердить эти идеи надежными опытами и точно установленными фактами. Теперь ему удалось, хотя совершенно иным образом, чем Джоулю, придти почти к тем же результатам. А именно, он вычислил отношение между примененной силой и затраченной теплотой из охлаждения водяного пара при его расширении и таким образом определил величину механического эквивалента единицы тепла, который, как у Джоуля, оказался в среднем равным 449 кгм.
Кольдинг еще ранее 1843 г. пытался обосновать закон сохранения силы, исходя из общефилософских соображений, и экспериментально его доказать, по крайней мере для случая превращения теплоты в механическую работу. По его собственным словам он при этом шел следующим путем. Так как силы являются существами духовными, нематериальными, которые нам известны лишь по их власти над природой, то они, без сомнения, должны быть существами значительно более высокими, чем все прочее, существующее материально; и так как, очевидно, одни лишь силы выражают ту мудрость, которую мы наблюдаем и которой удивляемся в природе, то они должны находиться в связи с той духовной, нематериальной и разумной мощью, которая руководит всяким прогрессом в природе. Но если это так, то совершенно нельзя себе представить, чтобы эти силы были существами смертными, преходящими; поэтому их следует считать, безусловно, непреходящими. В области механики неизменность силы была уже установлена «знаменитым и плодотворным законом д'Аламбера о живых и потерянных силах». Кольдинг полагал, что этот закон можно распространить на все превращения механической работы, химической силы и других сил, и предполагал изложить свои мысли в 1840 г. на Съезде натуралистов в Копенгагене. Однако по совету многих ученых, и, прежде всего Эрстеда, он отказался от этого плана, решив сначала подтвердить свои идеи экспериментальным путем. В качестве подходящего имеющегося уже готового материала он рассматривал произведенные Дюлонгом измерения теплоты сжатия и охлаждения расширения газов, замечание Эрстеда о теплоте, развивающейся при сжатии жидкостей, и, наконец, наблюдения Бертолле и Лагерхьэльма над нагреванием твердых тел при сжатии. Но тут воспоминание об измерениях теплоты трения, произведенных Румфордом, Гальда, Морози и другими, навело его на мысль о непосредственном определении связи между теплотой и механической работой. С этой целью он устроил прибор вроде саней, который давал ему возможность измерять количество тепла, развивающегося при различной нагрузке и при различных скоростях от трения латуни о латунь, цинк, свинец, железо, дерево и, наконец, о сукно. В результате почти 200 измерений было не только установлено постоянство отношения между механической работой и произведенным теплом, но также выведена средняя величина этого отношения, которая, будучи выражена в соответствующих единицах, оказалась равной отношению 350 к 1.
Эти результаты были Кольдингом сообщены в первой его работе по этому вопросу (1843 г.) Королевскому обществу в Копенгагене под заглавием «Nogle Saetninger om Kraefterne». Это сообщение было им, однако, названо предварительным, так как закон сохранения силы он рассматривал только как вероятный, а не как твердо установленный закон природы. Общество дало ему средства устроить более совершенный прибор; результаты произведенных с ним новых опытов и измерений были доложены Обществу натуралистов в Копенгагене в 1847 г., а потом и Королевскому обществу, которое поместило их в своих «Записках» частью в 1848 г., частью в 1850 г. В 1851 г. Кольдинг опубликовал новую работу, в которой им была изложена с совершенно новой точки зрения теория паровой машины. Наконец, в 1856 г. в «Записках» Королевского общества появилась еще одна работа Кольдинга под заглавием «Physikalishe Untersuhungen über das allgemeine Verhältniss; welches zwischen den intellectuellen und den Naturkräften existirt» («Физические исследования об общем отношении, существующем между интеллектуальными и естественными силами»), в которой он, переработав всю область натурфилософии на основе нового закона, зашел дальше Майера в том отношении, что, включив в сферу действия закона сохранения энергии также и духовные силы, он из неразрушимости естественных сил попытался прямо сделать вывод о бесконечности интеллектуальной жизни человека.
Вначале работы Кольдинга обратили на себя так же мало внимания, как и работы Майера, и только впоследствии их стали выдвигать против последнего. Сам Майер выступил с заявлением о своих правах на первенство после того, как значение опытов Джоуля стало получать все большее признание. В 1847 г. Джоуль поместил в «Comptes rendus» сообщение о своих исследованиях над механическим эквивалентом теплоты, не упомянув при этом даже имени Майера. Поэтому Майер в следующем году в том же журнале сообщил о зарождении своих первых идей о законе сохранения силы в Сурабайе в 1840 г., затем о первом произведенном им определении механического эквивалента теплоты в 1842 г. и, наконец, о подробном изложении этих идей в его работе 1845 г.; в этом сообщении он, со своей стороны, тоже ни словом не упомянул о Джоуле. После этого Джоуль счел себя вынужденным выступить с критическим отзывом о работах Майера, в котором он не проявил особенной глубины и которому, пожалуй, лучше было бы совсем не появляться. Описывая вначале ход развития своего открытия, он уверяет, что во время своих работ он не имел ни малейшего понятия о сочинении Майера 1842 г. Далее он утверждает, что постоянство теплоемкости газа при всех изменениях ею плотности было впервые установлено лишь благодаря его, Джоуля, измерениям, между тем как на основании всех прежних опытов, в особенности опытов Марсэ и де-ла-Рива, можно было ожидать скорее обратного. При этих условиях Майер не имел основания, по его мнению, сделать того вывода, что вся теплота, затраченная при расширении газа, эквивалентна произведенной мм при этом внешней работе; а вместе с тем, следовательно, и самое определение механического эквивалента, произведенное Майером, теряет свою силу. Указав далее на заслуги Румфорда, Дэви и Сегена в области механической теории теплоты, Джоуль заканчивает свою статью следующим выводом: «На этом основании каждый признает остроумие Майера, предсказавшего численные отношения, которые должны быть установлены между теплотой и силой; но нельзя, мне кажется, отрицать, что я был первым, доказавшим существование механического эквивалента теплоты и определившим его численную величину с помощью бесспорных опытов».
Майер опроверг эти суждения настолько легко и убедительно, насколько только это было возможно. Джоуль,— говорит он, — был бы прав, если бы Гэ-Люссак уже в 1807 г. не доказал («Mém. d'Arc», I, стр. 180), что газы могут расширяться без всякой затраты теплоты и внешней работы. Затем он приводит подлинное место из своей работы 1845 г., где он сослался на этот опыт, и заканчивает свою статью следующими прекрасными, исполненными достоинства словами: «Впрочем, я убежден, что Джоуль сделал свои открытия о теплоте и силе, не зная моих, и признаю, что многочисленные заслуги этого известного физика внушают мне большое к нему уважение; но, тем не менее, я полагаю, что могу с полным правом снова повторить, что закон эквивалентности теплоты и живой силы, с его численным выражением, опубликовал впервые я (в 1842 г.)»... Во всяком случае, Джоуль, делая свое первое заявление, подобно большинству противников Майера, знал лишь первую предварительную работу Майера 1842 г.; к сожалению, этот ряд полемических статей в «Comptes rendus» прервался на только что приведенном ответе Майера, я Джоуль не имел случая исправить свою явную ошибку, происшедшую вследствие недостаточного знакомства с работами Майера.
Если Майеру при помощи приведенной выше статьи удалось настолько обратить внимание на свои работы, что после этого, по крайней мере, французские и немецкие физики стали в большинстве случаев ставить его имя в связь с новыми идеями о силе, то, с другой стороны, условия его яичной жизни сложились столь неблагоприятно, что он в течение целых десяти лет был лишен возможности лично продолжать начатое им дело.
Поворот к лучшему в этих печальных судьбах Майера наступил лишь в начале шестидесятых годов; нельзя не порадоваться, что в таком повороте не малую роль сыграл английский физик Джон Тиндаль. Клаузиус, лицо прикосновенное к этому повороту, рассказывает по этому поводу следующее: «До начала шестидесятых годов работы Роберта Майера были очень мало известны. Из них только первая, короткая статья, не лишенная некоторых недостатков редакционного характера, появилась в 1842 г. в научном журнале и благодаря этому получила распространение в более широких кругах; остальные же, будучи напечатаны в виде отдельных брошюр, были преданы забвению, так как во время их появления мало кто интересовался этим вопросом. Я сам в это время знал лишь его первую работу; поэтому и получилось, как об этом правильно сообщает Тиндаль в нижеприводимом докладе, что когда Тиндаль в 1862 г. обратился ко мне с запросом о содержании работ Майера, я ему ответил, что, по моему мнению, он в них не найдет много интересного, но что, во всяком случае, я постараюсь их ему достать. Но когда я затем получил от книгопродавца из Гейльбронна брошюры Майера и перед отправкой Тиндалю сам их прочитал, то увидел, что ошибся: в этих брошюрах Майер не только исправил прежние недочеты в своих механических представлениях — совершенно, впрочем, понятные во враче-практике, принимающемся впервые писать о механических вопросах, — но проявил наряду с ясным и отчетливым изложением своих воззрений достойное удивления богатство идей, хотя со всем там изложенным и нельзя было согласиться. Поэтому, пересылая эти работы Тиндалю, я взял свои прежние слова назад и указал ему на те стороны, которые в этих работах я признал особенно существенными. В это время, по случаю Промышленной выставки 1862 г. в Лондоне, Тиндалю предстояло сделать публичный доклад в Royal Institution перед многочисленной избранной аудиторией, съехавшейся из различных стран. Темой для своего доклада он избрал сочинения Майера и в обычной для него увлекательной форме изложил все основные выводы работ Майера. Когда публика, в сильнейшей степени заинтересовавшаяся данным вопросом, естественно, пожелала узнать, кому принадлежат все эти исследования, Тиндаль назвал имя человека, который, живя в маленьком немецком городке, без всякой научной поддержки и поощрения, с удивительной энергией и настойчивостью работал над развитием своих гениальных мыслей».
К сожалению, этот смелый благородный поступок Тиндаля не обошелся без неприятностей для него лично. «Вскоре после этой лекции в одном очень распространенном, но не научном, английском журнале «Good Words» появилась статья «Energy», подписанная Томсоном и Тэтом, но составленная только последним, как это явствует из одного более позднего замечания Тэта. В этой статье после упоминания о первой работе Майера говорится: «На основании этой работы была сделана попытка присвоить Майеру честь первого открытия принципа сохранения энергии в общем его виде. Конечно, верно, что «наука не имеет отечества» и британским философам делает величайшую честь, что они повели себя столь либерально соответственно этой истине. Однако не следует полагать, что эта истина совершенно исключает возможность научного патриотизма или что при своем желании воздать должное иностранцу мы обязаны обесценивать или попирать права своих собственных граждан. Особенно страшит нас то обстоятельство, что предпринятая недавно попытка посадить Майера на то место, на которое он сам никогда не притязал и которое задолго до того было занято другим лицом, нашла поддержку в тех самых стенах, в которых Дэви излагал свои замечательные открытия».
За этой указанной Клаузиусом статьей последовала продолжительная, временами очень обостренная, полемика между Тиндалем и Тэтом (профессором физики в Эдинбурге), которая велась преимущественно в «Pgilosophical Magazin» (XXV, XXV, XXVIII, 1863—1864) и которую последний продолжил в брошюре 1868 г. «Scetch of Thermodynamics» («Очерки термодинамики»), а также в более обширном сочинении «Lectures on some Recent Advances in Physical Science», London 1876 («Лекции о некоторых новых успехах в области физических наук»). В интересах исторической справедливости мы должны коснуться и этих работ. Первую из них, «Scetch of Thermodynamics», Тэт предварительно распорядился отпечатать в ограниченном количестве экземпляров и разослал их для отзыва некоторым специалистам, между прочим, Гельмгольцу и Клаузиусу. Гельмгольц ответил ему в явно неодобрительном тоне: «Что касается Роберта Майера, то я могу понять ту точку зрения, которой вы придерживаетесь по отношению к нему, но я все-таки не могу упустить случая, чтобы высказать, что я не вполне придерживаюсь этого мнения... Хотя никто, таким образом, не станет отрицать, что Джоуль сделал гораздо больше Майера и что в первых работах Майера многие частности неясны, но я все-таки полагаю, что на Майера следует смотреть, как на человека, который независимо и самостоятельно пришел к этой мысли, обусловившей величайший современный прогресс естественных наук. Заслуга его не становится меньшей оттого, что одновременно с ним другой ученый, в другой стране и на другом поприще сделал то же самое открытие И впоследствии развил его даже лучше, чем он». Письмо Клаузиуса написано более резко: «Позвольте мне в заключение еще сказать Вам... прямо, что, по моему мнению, Ваша статья, в настоящем ее виде, может только повредить Вашей собственной столь высокой научной репутации. Любой читатель с первого взгляда увидит, что это не нелицеприятное историческое изложение вопроса, чего бы следовало ожидать от ученого вашего ранга, а проникнутая партийностью статья, написанная только для прославления некоторых немногих лиц. Я сам высоко ценю этих самых лиц, но полагаю, что из-за них не следует унижать других». Несмотря на это, рассматриваемая работа вышла в свет почти в неизмененном виде, а в позднейшей работе 1876 г. Тэт выражается о Майере еще с большей резкостью и с такой односторонностью, что печальнее этого трудно себе представить: «Хотя мы еще и не располагаем всеми данными для суждения по этому вопросу, но уже пришло время поставить Майера, насколько это возможно, на соответствующее ему место. Его неразумно восхвалили, а был он человеком несчастным, поэтому естественно ожидать крика негодования против всякого, кто возьмет на себя необходимую задачу определить его действительные заслуги. Но в истории науки не существует argumentum ad misericordiam (соображений жалости). Осуждение, если о таковом может быть речь в подобном деле, падает на голову тех, кто ложно приписывает ему то, чего он совершенно не сделал». «Создан и экспериментально доказан был закон сохранения энергии в его общем виде бесспорно Кольдингом в Копенгагене и Джоулем в Манчестере».
Тэт настаивает на том, что первым моментом в деле разработки закона сохранения энергии должно было быть установление эквивалентности между теплотой и работой; а так как Майер никаких собственных опытов в этом направлении не сделал, а использовал лишь наблюдения других физиков, то Тэт полагает, что можно совершенно отрицать какие бы то ни было заслуги Майера в этой области. При этом Тэт совершенно упускает из виду необходимость предварительного анализа, очищения и преобразования понятия о силе, считая весь закон собственно достаточно уже обоснованным признанною на опыте невозможностью вечного движения (perpetuum mobile). Но, с одной стороны, Тэт упускает из виду теоретико-познавательное происхождение этого закона как основы всей физики, а с другой стороны, — здесь сказывается незнание истории фактических воззрений на понятие perpetuum mobile, каким оно было у физиков того времени. Конечно, опытные доказательства против возможности вечного движения, построенного только на действии механических сил, можно считать, существовали уже и в то время; но что, несмотря на это, perpetuum mobile все-таки не считалось абсолютно невозможным, ясно видно из следующих слов уважаемого физика Мунке, которые можно найти в «Физической энциклопедии» Гелера и которые мы уже однажды частично цитировали: «Если речь зайдет о perpetuum mobile physicae (физическом вечном двигателе), то не подлежит никакому сомнению, что таковой возможен, ибо круговорот вещей в природе длится непрерывно и непрерывно возобновляется. Поэтому, если удастся использовать какую-либо подобную имеющуюся в природе силу для приведения в движение прибора, то эта задача будет разрешена. В действительности различные механизмы такого рода существуют, только зачастую мы недостаточно обращаем на них внимание с этой специальной точки зрения. Так, между прочим, наша планетная система представляет настоящий perpetuum mobile; в неменьшей степени — вращающаяся около своей оси земля; река, текущая непрерывно, благодаря непрерывной смене испарения и осаждения; барометр, с его непрерывными колебаниями, вследствие никогда не прекращающихся воздушных течений; ежедневно колеблющаяся магнитная игла, — все эти и бесчисленные другие приборы движутся, без сомнения, непрерывно, но движущая сила или причина их движения лежит в природе. Все они принадлежат к тому классу механизмов, которые можно обозначить общим названием perpetuum mobile physicae... Основанный на этом взгляд с вытекающими из него определениями представляется мне настолько простым и ясным, что я считаю излишним к нему что-либо прибавлять. Совершенно иное представляет собою perpetuum mobile mechanicae (механический вечный двигатель), который обыкновенно и имеют в виду, когда речь идет о возможности его построения». С точки зрения этих слов известного и авторитетного физика, написанных им в 1833 г. и никем фактически не опровергнутых вплоть до 1842 г., современной физике с ее законом сохранения энергии как главной основой пришлось бы очень плохо, если бы этот закон опирался только на опытно доказанную невозможность вечного движения в самом общем смысле. Эти слова скорее показывают, что невозможность perpetuum mobile не является опытным положением, из которого можно вывести закон сохранения силы, и что, наоборот, только вытекающая из правильно построенного понятия о силе невозможность созидания и уничтожения сил укрепила идею о невозможности perpetuum mobile и обеспечила ей всеобщее признание.
В какой мере одностороннее превознесение экспериментального метода и полное отрицание значения дедукции в физике основаны у Тэта на достаточно глубоком философском исследовании научных методов, мы здесь сказать не можем. Но, во всяком случае, он проявляет национальный патриотизм и в научной области, склонность к превознесению заслуг своих соотечественников и легкость в умолчании заслуг иностранцев, благодаря чему объективное отношение к историческому развитию и к заслугам ее деятелей у него в высшей степени затруднено. Из многих мест его сочинения, свидетельствующих о том, что он не всегда победоносно преодолевает подобные трудности, я приведу только два. Согласно Тэту, основоположником новой физики является не Галилей, а англичанин Гильберт; Галилей рассматривается только позднее, одновременно с англичанином Ньютоном. Подобно этому и датчанин Кольдинг выводится в качестве соучастника в открытии закона сохранения силы, в противовес немцу Майеру; но Кольдинг, по его собственному признанию, был впервые наведен на это открытие принципом д'Аламбера; по мнению же Тэта этот принцип есть не что иное, как частный случай ньютоновского закона о равенстве действия и противодействия. «Таким образом, вы видите, — говорит Тэт, защищая без особой нужды права своего соотечественника Ньютона, — что в сущности Кольдинг был наведен на свою мысль работой Ньютона».
Позднее Тэт, помимо Кольдинга, открыл еще другого ученого, который показался ему подходящим для уничтожения всяких прав Майера. «Уже после выхода в свет настоящего сочинения (в апреле 1876 г.), — говорит он, — мое внимание обратили на работу Мора, которая аннулирует почти все, что было сказано в пользу первой работы Майера... В сочинении Мора содержится почти все, что есть правильного в работе Майера, и притом в гораздо более совершенной форме... Как раз тот прием (исчисления механического эквивалента теплоты из теплоемкости воздуха при постоянном давлении, с одной стороны, и при постоянном объеме — с другой), по поводу которого Майер так превозносится многими, — хотя в принципе, если не практически, он совершенно неправилен, — изложен у Мора гораздо яснее, чем это было сделано Майером пять лет спустя». Понять генезис этих суждений Тэта еще труднее, чем все высказанное им раньше. Действительно, в упомянутой работе 1837 г. Мор устанавливает чистую теорию теплоты как движения; предвосхищая в ряде пунктов позднейшие кинетические теории теплоты, он дает такое определение газов, которое в своей основе почти совпадает с позднейшею механической теорией газов, и, наконец, он совершенно ясно излагает принцип единства всех сил природы и их взаимной роевратимости.
Но из того, что содержится в первой работе Майера по вопросу о постоянстве сил природы и что собственно составляет сущность новых воззрений на силы, в трактате Мора ничего не имеется. Мор применяет еще слово сила по-прежнему в смысле элементарного свойства материи, о замене этого понятия другим понятием ограниченной работоспособности, необходимость чего Майер так ясно выдвигает, у Мора нет и помину. Все положения Мора относятся лишь к превращению форм сил; в рассмотрение же величин силы и в особенности сохранения ее при всех превращениях — он совершенно не входит. Исчисление механического эквивалента по теплоте сжатия «воздуха внесено в сочинение Мора при чтении самим Тэтом, так как вычитать этот факт из брошюры Мора человеку, не знающему его наперед, совершенно невозможно. Да и сам Мор нисколько не считает себя соперником Майера: признавая без всякой зависти заслуги Майера в деле установления механического эквивалента теплоты, он оставляет за собою — и с полным правом, как показывает его работа — лишь место одного из первых приверженцев теории теплоты как движения и идеи о единстве всех сил природы. Таким образом Тэт вторично имел несчастье попытаться использовать в борьбе против Майера, в качестве соперника последнего, такого человека, который сам в этом спорном деле ставит Майера впереди себя.
К сожалению, и у нас в Германии нашлось сочинение, которое, пожалуй, еще более односторонне и ошибочно, чем работа Тэта, пытается не осветить заслуги Майера в должном свете, а совершенно уничтожить заслуги его соперника. В то время как сам Майер старался превзойти Джоуля в великодушном признании чужих заслуг, Дюринг в своей книге «Robert Mayer, der Galilei des 19. Jahrhunderts», Chemnitz 1880 («Роберт Майер, Галилей XIX в.») явно старается восполнить недосказанное, по его мнению, Майером и выставляет Джоуля прямым подражателем Майера на том лишь основании, что первая работа Джоуля появилась позднее первой работы Майера. «Этот Fellow (член) Лондонской академии наук, со своей парой повторительных опытов, возомнил себя единственным. Но в действительности этот Fellow был лишь подражателем, и если может идти речь о его талантах и заслугах, то это, конечно, лишь таланты подражания». Эти слова Дюринга настолько ясно определяют полемический характер названной его работы как ненаучного памфлета, что мы со спокойной совестью о ней здесь больше говорить не будем. Заканчивая на этом грустную повесть о разногласиях по поводу приоритета, мы приведем здесь прекрасные слова Тиндаля, к которым присоединяемся от всей души: «На работах Майера лежит некоторая печать глубокого созерцания, достигшего в уме автора силы несомненного убеждения. Работы Джоуля являются, наоборот, экспериментальными доказательствами. Майер завершил свою теорию умственно и довел ее до ее прекрасных применений. Джоуль разработал свою теорию и сообщил ей надежность закона природы. Верный умозрительному инстинкту своей страны, Майер сделал великие и важные выводы из своих исходных положений, англичанин же больше всего старался о том, чтобы с полной неоспоримостью установить факты. Полагаю, что будущий историк науки не станет смотреть на этих людей как на соперников».