1818–1889

Каким человеком нужно быть, чтобы подарить миру открытие закона сохранения энергии? Чтобы разработать улучшенные модели амперметров и вольтметров? Придумать (хоть и в паре с коллегой) абсолютную шкалу температур? Исследовать свойства каучука и искать объяснения миражей, атмосферных гроз и метеоритов? Заниматься молекулярной физикой и акустикой, термодинамикой и магнетизмом? Ясно, что, как минимум, для этого необходимо закончить хотя бы университет. Однако герою нашей следующей истории удалось этого достичь не только без учёбы в университете, но даже без традиционного образования в школе…

Джеймс Прескотт Джоуль родился 24 декабря 1818 г. в английском городке Солфорд (графство Ланкашир), неподалёку от Манчестера. Он был вторым из пяти детей в семье состоятельного предпринимателя – владельца пивоваренного завода. В детстве Джеймса донимают боли в позвоночнике, поэтому обычные для мальчишек забавы, где нужно бегать и прыгать, ему недоступны. Впрочем, из-за его застенчивости и скромности, скорее всего, даже с отменным здоровьем Джоуль-младший предпочёл бы уединение с книжкой забегам по улице. В любом случае, для будущей научной карьеры такой набор обстоятельств был вполне приемлемым и благоприятным.

Желая не доставлять сыну лишних хлопот, родители поначалу обучают его дома. С 15 лет он уже работает на отцовском заводе, продолжая тем временем (заодно со старшим братом, Бенджамином) брать частные уроки в Манчестере. К слову, с учителем Джоулю явно повезло: сам Джон Дальтон, знаменитый английский химик, христианин-квакер, обучал его химии физике и математике. Позже Джеймс будет с благодарностью вспоминать три года учёбы у известного наставника, говоря: «Именно в результате его преподавания у меня появилось желание увеличить запас моих знаний с помощью оригинальных исследований».

К сожалению, дальше частных уроков дело не пошло, и мечта Джеймса – окончить университет – так и не сбылась. Отец заболел, и все дела на пивоваренном заводе легли на плечи юношей – Джеймса и Бенджамина. Тем не менее, от заветного желания – заниматься наукой – наш герой отказываться не стал. Прямо у себя дома он создаёт лабораторию, где ежедневно и до, и после работы проводит свои эксперименты. Отметим, что молодой учёный был движим не только праздным интересом или амбициями. На решение посвятить себя науке большое влияние оказала его христианская вера, о которой он сам заявлял: «После того, как мы узнаём Волю Бога и подчиняемся ей, у нас есть ещё одно важное дело: постичь Его Мудрость, Мощь и Милосердие из тех свидетельств, что явлены в Его делах. Познание законов природы – есть познание Бога».

Первую научную работу Джоуль направляет в Королевское научное общество в Лондоне, когда ему исполнилось 22 года. Исследование назвалось «Об образовании Теплоты с помощью Вольтовского (Гальванического) Электричества», а его написанию предшествовал почти год напряжённой работы экспериментального изучения электричества и теплоты. В итоге появилась знаменитая формула, вошедшая в школьные учебники под названием «закон Джоуля – Ленца» (Эмилий Ленц – русский учёный, открывший год спустя независимо от Джоуля тот же закон). Суть закона сводилась к тому, что количество теплоты, которая выделяется в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Как ни странно, особого восторга в Королевском научном обществе работа не вызвала, и оно ограничилось краткой публикацией основных полученных данных.

Второй попыткой найти «общий знаменатель» с научной элитой было исследование, посвящённое расчёту количества механической работы, необходимой для образования такого же количества теплоты. В 1843 г. Джоуль получил ответ на свой вопрос, назвав его «механический эквивалент теплоты». Свои наблюдения с исторической фразой «количество теплоты, которое в состоянии нагреть 1 фунт воды на 1 градус по Фаренгейту, равно и может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в 1 фут» учёный передаёт в Британскую ассоциацию содействия развития науки. К сожалению, и на этот раз особых восторженных эмоций не последовало.

Что было причиной столь холодного и равнодушного отношения к Джоулю – сказать сейчас трудно. Но главными «камнями преткновения» оказались, наверное, его репутация самоучки, так и не получившего университетского диплома, и то, что некоторые из его идей звучали слишком смело и противоречили общепринятым в то время научным взглядам. В частности его понимание природы тепла вступало в конфликт с популярной теорией теплорода, утверждавшей, что теплота является чем-то наподобие жидкости, перетекающей от более нагретых тел к менее нагретым.

Лишь к тридцати годам Джоуль почувствует себя понятым и принятым. Именно в этот период у него появляется новый коллега и друг – Уильям Томсон (впоследствии лорд Кельвин). Молодой шотландец (в то время Томсону было 23 года) высоко оценил результаты, полученные Джоулем, а вслед за ним последовало одобрение от Майкла Фарадея и Джорджа Стокса. Благодаря новым знакомым перед Джоулем вновь распахнулись двери Королевского общества: в 1848 г. оно решает опубликовать исследование «О механическом эквиваленте тепла» и принимает Джоуля в состав своих членов.

По сути, принцип сохранения энергии, высказанный Джоулем, стал отправной точкой для развития нового направления физики – термодинамики. Ему первому удалось доказать, что «работа может превращаться в теплоту с чётким соотношением работы к теплоте, и что теплоту можно обратно преобразовать в работу». В результате каждый школьник сегодня может познакомиться с первым законом (или, как иногда его называют, первым началом) термодинамики. Суть его сводится к тому, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, но лишь преобразовывать из одной формы в другую. Своё открытие Джоуль рассматривал как ещё одно доказательство правильности своих христианских убеждений: «явления природы, независимо от того, механические ли, химические или жизненные, заключаются в постоянном превращении … одних в другие. Таким образом, это значит, что во вселенной сохраняется порядок – ничего не нарушается, ничего никогда не теряется, но целый механизм, настолько сложный каков он есть, работает равномерно и гармонично… всё существующее управляется суверенной волей Бога». В общем, хоть и не так скоро, как хотелось бы, к Джоулю приходит признание и неудивительно, что в 1872 г. его избирают президентом Британской ассоциации содействия развитию науки, где он проработает не много, ни мало 15 лет. А ещё позже в его честь назовут единицу измерения энергии – джоуль.

Но это – позже. А пока 34-летний Джоуль работает вместе с Томсоном. Напарники удачно дополняют друг друга: изобретательность и дар экспериментатора первого прекрасно сочетаются с математическим талантом второго. К слову, из почти 100 научных работ Джоуля 20 были написаны совместно с Томсоном. Несколько лет подряд два гения проводят эксперименты по охлаждению газов в результате их расширения, результатом чего стало открытие «эффекта Джоуля – Томсона», используемого сегодня в холодильной промышленности. За это время в жизни Джоуля происходят несколько значимых для него событий. Во-первых, после шести лет совместной жизни умирает жена учёного – Амелия, оставив на попечении отца маленьких сына и дочь. Во-вторых, семья Джоуля продаёт пивоваренный завод, чему сам учёный отчасти рад, поскольку теперь у него появляется больший запас времени для дел научных, а отчасти расстроен –средств на жизнь начинает не хватать… Спустя четыре года умирает отец Джоуля, а сам он в том же году попадает в аварию во время очередного путешествия. В этих (и не только в этих) обстоятельствах первооткрывателю термодинамики помогает его вера.

Как уже было отмечено, Джоуль был искренним и вдумчивым (как и полагается настоящему мужу науки) христианином. Верный Священному Писанию и его учению о сотворении, он выступал против набиравших популярность в те годы эволюционных взглядов. В компании 717 учёных (из которых 86 были членами Королевского научного общества) он в 1864 г. подписал документ, где было высказано несогласие со взглядами Чарльза Дарвина и подчёркнута приверженность библейскому обоснованию зарождения Вселенной и жизни в ней.

Годы неумолимо берут своё. Так происходит и в жизни Джоуля: с 1872 г. состояние его здоровья заметно ухудшается, хотя он и продолжает работать в меру сил. В 1878 г. британское правительство назначило ему пожизненную пенсию в 215 фунтов. А 11 октября 1889 г. он закончил свой большой эксперимент под названием «жизнь». Это случилось в небольшом городишке Сейл, неподалёку от Чешира. На могиле учёного можно ещё сегодня прочесть эпитафию, для которой были выбраны слова из его любимой книги – Евангелия: «Мне должно делать дела Пославшего Меня, доколе есть день; приходит ночь, когда никто не может делать» (Иоан. 9:4).