В. М. Бродянский
Последние два века (XVII и VIII вв.) периода истории ppm характерны тем, что многие даже достаточно серьезные ученые верили в то, что вечный двигатель можно создать. Даже постоянные неудачи многочисленных изобретателей не могли поколебать их веру в ppm несмотря на труды Стевина, Галилея, Герике, Торричелли, Паскаля, Бойля, Ньютона и Лейбница, которые уверенно отрицали возможность его создания.
Теоретики иногда оказывались даже позади некоторых практиков, которых собственный опыт приводил к мысли о бесперспективности работы над ppm.
Подытоживая сложившуюся ситуацию, механик Я. Леупольд в сочинении «Театр машин» («Theatrum machinarum»), вышедшем в 1724 г., написал, что всегда на практике вместо perpetuum mobile получается perpetuum stabile (вечное равновесие, неподвижность).
Этот интересный феномен нельзя объяснить просто тем, что ученые «меньшего калибра» были далеки от идей своих великих современников и предшественников и не понимали их. Главная причина находилась глубже. Дело было в том, что положение о невозможности ppm, которое высказывали ведущие физики и философы, не подкреплялось никаким общим физическим законом, действовавшим в любой области. Пользуясь частными законами - моментов сил или равновесия тел на наклонной плоскости, можно было показать неработоспособность конкретного механического ppm. Законы гидравлики тоже позволяли доказать, что такой-то определенный гидравлический двигатель действовать не будет.
Однако сторонники ppm всегда могли возразить: «А я сделаю другой, который будет!» Все прошедшие неудачи за редкими исключениями (Леонардо, Стевин) связывались не с принципиальной невозможностью ppm, доказательств которой не было, а только с частными ошибками или недоработками, которые в дальнейшем, казалось, можно устранить. Дело мало менялось от того, что многие великие умы от Декарта до Ломоносова постепенно подготавливали фундамент общего закона природы, вообще запрещающего ppm. А пока всегда оставалась надежда «просочиться» в щель между частными законами, найти такие явления и конструкции, где они не действуют.
Только единый закон, распространяющийся на все явления природы, мог создать сплошной научный фронт, непроницаемый для любого ppm-1. Таким законом стал в XIX в. закон сохранения энергии. Когда он утвердился, «доэнергетическая» физика кончилась и с ней пришел конец1 вечному двигателю первого рода.
Становление закона сохранения энергии и самого понятия «энергия» проходило долго и с трудом. Борьба (именно борьба, и очень тяжелая)-за утверждение этого закона проходила по разным направлениям, но с непременным участием вечного двигателя.
В истории иногда наблюдаются парадоксальные ситуации, когда нечто не существующее (и даже не могущее существовать в принципе) оказывает существенное влияние на весьма реальные события. Интересный пример такого влияния - вечный двигатель. М. Планк писал «... поиски perpetuum mobile имели для физики столь же важное значение, какое имели для химии попытки искусственного получения золота, хотя в обоих случаях наука воспользовалась не положительными, а отрицательными результатами соответствующих опытов»
Формирование представления об общем законе сохранения, управляющем всеми формами движения материи, началось очень давно. Уже у античных авторов можно найти мысль о неуничтожимости не только материи, но и ее движения. Римлянин Тит Лукреций Кар (95-55 гг. до н. э.) в знаменитой поэме «О природе вещей» писал:
«Из ничего не рождаются вещи, Также не могут они, народившись,
в ничто обратиться».
И далее о движении мельчайших частиц материи:
«Материи плотные тельца
В вечном движенья находятся,
Непобедимы годами. Так и прочие вещи пламя дают, разогревшись
движеньем. Становится мягким
Даже и шарик свинцовый, когда его долго катают».
Из этих строк видно, что древние понимали (конечно, в общих чертах), как механическое движение переходит в тепловое движение частиц тела.
Идея о некоторой постоянной силе, передаваемой от одного тела к другому, сохранилась и в средние века. В своеобразной форме ее отразил, например, средневековый философ Жан Буридан1 (1300-1358 гг.). Он назвал такую силу impetus (натиск, напор) и выразил ее переход от одного тела к другому так: «В то время, как движущее движет движимое, оно запечатлевает в нем некую силу (impetus), способную двигать это движимое в том же направлении..., безразлично, будет ли это вверх, вниз, в сторону или по окружности». Несмотря на некоторую «ученую» тяжеловесность этой фразы, ее в принципе правильный смысл ясен.
О взглядах Леонардо да Винчи на сохранение движения мы уже упоминали раньше. Далее, начиная с XVI в., идея о сохранении движения (ограниченная, естественно, только механическим движением) и невозможности его возникновения из ничего (т. е. невозможности ppm-1) постепенно развивалась и укреплялась в сознании ведущих физиков. Предоставим слово им самим.
Д. Кардана (1501-1576 гг.): «Нельзя устроить часы, которые заводились бы сами собою и сами поднимали гири, движущие механизм».
Г. Галилей (1564-1642 гг.): «Машины не создают силу; они только ее превращают. Кто надеется на другое, тот ничего не понимает в механике».
Р. Декарт (1596-1650гг.): «Я принимаю, что во всей созданной материи есть известное количество движения, которое никогда не увеличивается, не уменьшается, и, таким образом, если одно тело приводит в движение другое, то теряет столько своего движения, сколько его сообщает».
«Мне пришлось видеть много квадратур круга, вечных двигателей и разных других мнимых доказательств, которые оказались ложными».
X. Гюйгенс (1629-1695гг.): «И если бы изобретатели новых машин, напрасно пытающиеся построить вечный двигатель, пользовались этой моей гипотезой (о невозможности системы тел изменить положение своего центра тяжести без внешних сил. В. Б.),то они легко бы сами осознали свою ошибку и поняли бы, что такой двигатель нельзя построить механическими средствами».
И. Бернулли (1667-1748 гг.): «Ничтожная часть позитивной причины не может исчезнуть, не производя взамен такого действия, при помощи которого эта потеря может быть восстановлена. Таким образом, ничего из сил не исчезает, хотя бы по видимости такое исчезновение и имело место».
Г. Лейбниц (1646-1716 гг.): «Принцип равенства причины и следствия, т. е. принцип исключенного вечного двигателя - основа моего вычисления живой силы. Согласно этому принципу живая сила сохраняет свою неизменную тождественность.
В течение этих действий (поднятия груза на определенную высоту, сжатия пружины для сообщения определенной скорости) не происходит ни малейшей прибыли, ни малейшей убыли живой силы. Конечно, часть живой силы (этой частью никогда нельзя пренебрегать) поглощается неощутимыми частицами самого тела или других тел.
Мнение, которое я здесь защищаю, не основывается, конечно, на опытах по ударам тел, но на принципах, которые сообщают смысл самым опытам. Эти принципы позволяют высказывать суждения о случаях, еще не проверенных экспериментом. Единственный источник этих принципов есть равенство причины и следствия».
М. В. Ломоносов (1711 -1765 гг.): «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оной от себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
Две последние цитаты показывают, что у Лейбница и особенно у Ломоносова представления о законах сохранения приобретают наиболее обобщенный характер.
Важно еще отметить, что уже у Лейбница принцип сохранения выходит за пределы простого механического движения тел; он говорит и о «поглощении силы неощутимыми частицами тела», т. е. о тепловой форме движения. У Ломоносова эта мысль была развита еще дальше («Рассуждение о природе тепла и холода» - 1744 г.).
Ломоносов был противником господствовавшей в то время теории теплорода - некоей «невесомой материи», добавление которой в тело сообщало ему тепло. Он придерживался мнения, что теплота есть результат движения «нечувствительных частиц» (т. е., говоря современным языком, молекул). Из этого непосредственно следовало, что формулировка о сохранении движения распространяется и на тепловое движение. Закон сохранения энергии не мог утвердиться, пока теория теплорода не была отвергнута; пока он существовал, невозможно было объяснить переход механической работы в тепло; идея этого перехода была ясна и Лейбницу, и Ломоносову.
Интересно, что ломоносовскую кинетическую теорию тепла отвергли именно по этой причине даже в первой половине XIX в.
В солидном немецком физическом словаре Геллера упоминалось о теории тепла Ломоносова, но она критиковалась не за ее действительные недостатки (Ломоносов учитывал только вращательное движение молекул), а за ее главное достоинство - за то, что она опровергала теорию «теплорода».
Работы Лейбница и Ломоносова завершают первый период развития учения о законе сохранения энергии - его идейную подготовку. В течение этого периода сформировалось в основе правильное представление о «сохранении силы» и переходе ее от одного тела к другому и из механической формы в тепловую. Нужно было сделать следующий, решающий шаг: найти количественные связи между формами движения, измерить их и распространить на все известные его формы. Но это требовало не только постановки соответствующих экспериментов и правильного осмысления их результатов, но и в первую очередь ниспровержения теории теплорода, ставшей тормозом дальнейшего движения науки.
Решить эту задачу удалось только в XIX в.; первыми были С. Карно, Р. Майер и Д. Джоуль. Именно их работы определили окончательное установление закона сохранения энергии.
Важную роль сыграло уточнение и разграничение учеными-механиками двух основополагающих понятий - сила и работа.