Эволюция энергетики. Перспективы развития

ощутили в его работе новую и, как им казалось, еретическую струю.

Ересь эта заключалась в том, что  автор развивал недостаточно, по их мнению, мотивированное воззрение, что  энергия представляет собой нечто, как тогда говорили, субстанциальное .

Между тем, говорили оппоненты, пока доказано только одно: сумма энергий разных видов остаётся постоянной во всех явлениях, происходящих в изолированной системе. Но это свойство принадлежит многим математическим функциям, и отсюда нельзя делать вывода об их физическом существовании. С точки зрения математика такая точка зрения понятна: ведь ещё Лагранж в своей аналитической механике писал выражение

Т + V = Н,

где в  наших терминах Т является кинетической энергией, V — потенциальной, а их сумма Н - постоянной величиной. Это - так называемый у механиков математического уклона «интеграл живых сил», и никакого физического смысла вкладывать в него они не привыкли.

Даже  термина «работа», необходимого для  физического обоснования понятия  «потенциальная энергия», до Понселе  не существовало, уже не говоря об энергии вообще; V—это некоторое математическое выражение «потенциальная функция». И вот их, привычных к этим терминам математиков, хотят уверить, что эти математические понятия, эти интегралы имеют физическое существование, что они размещены в пространстве, текут и пр. и пр. Думается, что здесь сказалась присущая учёным той эпохи настороженность по отношению к новым гипотезам и теориям, в особенности в случаях, когда они представляли собой более или менее широкое обобщение — отголосок затянувшейся борьбы естественников с натурфилософами-шеллингианцами.

ЭНЕРГИЯ —СУБСТАНЦИЯ

Мы видим, таким образом, что именно в те годы — 75 лет тому назад в умах передовых физиков созревала  мысль о субстанциальности энергии. Ход их рассуждений повторил собой  то, что в восемнадцатом столетии произошло с понятием о теплоте: то, что распределяется между телами, усваивается ими, переходит от одного к другому и при этом сохраняется всегда в неизменном количестве — это постепенно приобретает в глазах заинтересованных работников «предикат субстанциальности», становится физической сущностью особого рода. Теперь мы знаем, что сторонники «теплорода» были неправы, были поспешны в своих заключениях. Пока что учение об энергии как субстанции не поколеблено никакими позднейшими данными или доводами *). Напротив, как мы увидим, оно ещё укрепилось со временем и стало безраздельно господствующим. Причины этого вскроются в дальнейшем изложении. Скажем несколько слов о дальнейшей судьбе умовского представления о потоке энергии. Оно было (по-видимому, совершенно независимо) в 1884 г. применено Пойнтингом к электромагнитному полю. Пойнтинг показал, что через единицу площади в единицу времени проходит поток энергии

S = с/4p [Е´H],

где Е  и H — электрическая и магнитная напряжённости в месте потока, с — скорость света. Нетрудно показать, что эта формула при пересчёте на простой случай плоской волны тождественна с высказыванием Умова. Теорема Пойнтинга является предметом школьного обучения, а имя Умова, его предшественника, незаслуженно забывается . . .

Независимо от этого, рекомендуем каждому любителю истории нашей науки перечитать, Пойнтинга в подлиннике. Кроме чисто эстетического наслаждения, которое при этом получаешь, легко убедиться при чтении, какой успех за 10 лет (1874—1884) сделала идея о субстанциальности энергии.

В этой связи необходимо остановиться на тех  шатаниях, которые обнаружились в  умах целого поколения физиков и  других учёных, задумывавшихся над  новой вошедшей в науку субстанцией  — энергией.

Прежде  всего это новое понятие использовали философы-идеалисты. Они обратили внимание на то, что создавшийся в физике известный дуализм чем-то напоминает их диаду — материи и  духа. Материя — инертная, дух — активная субстанция. А когда в дальнейшем в физике обнаружилась, как полагается, борьба между двумя стоящими рядом субстанциями за титул главной и основной и когда победа начала склоняться на сторону энергии, поднялся прямо торжествующий вопль: физики сошли со своей традиционной материалистической позиции и переходят к спиритуализму.

Конечно, за такой вывод нельзя делать вполне ответственными физиков; несомненно, что выяснение свойств энергии и относящихся к ней законов шло, прежде всего, по линии исследования и накопления фактов. Однако некоторые идеологические ошибки были и у физиков; к числу их относится так называемая «энергетика». Под таким именем слыла в своё время — не физическая, в собственном смысле, а натурфилософская — система, восходившая корнями к Рэнкину, а главными глашатаями имевшая Гельма и В. Оствальда. Они многократно прокламировали и, можно сказать, рекламировали свою систему; их настойчивость вызывала не раз весьма авторитетные отповеди, прежде всего, со стороны Людвига Больцмана. У нас против них высказывался, между прочим, А. Г. Столетов16. Прочитывая сейчас произведения энергетиков, поражаешься, с каким малым багажом они выходили на научную арену. Даже в тех случаях, когда их высказывания близки к современным взглядам, легко убедиться в том, что у них они остаются абсолютно не обоснованными; не стоя ни в какой связи с экспериментальными фактами, они остались совершенно в стороне от дальнейших успехов физики. Справедливый приговор энергетике дан в замечательной книге В. И. Ленина «Материализм и эмпириокритицизм».

Роль  В. Оствальда заслуживает особого  внимания. Независимо от своих собственных научных работ (они оставили достаточно осязательный след в науке) он связал своё имя с горячей защитой Аррениусовской теории электролитической диссоциации, специально для этого основав журнал.

Как он совмещал вражду к молекулярной теории с проповедью распада молекул, понять совершенно невозможно. К «энергетике» его привела ненависть к механическим воззрениям. Впрочем, многие химики были их противниками — и по вполне понятным причинам: именно для химии механические теории почти ничего не сумели дать.

ОБ  ИНЕРТНОЙ МАССЕ ЭНЕРГИИ

К восьмидесятым  годам относится выяснение ещё  одного важного свойства энергии: движущееся тело, которому сообщено некоторое  количество энергии (всё равно, какой), ведёт себя при попытках ускорить или замедлить его движение так, как если бы его инертная масса испытала прирост. Этот прирост пропорционален запасу энергии тела.

Эта замечательная  истина вначале высказывалась только относительно электрического заряда. Уже давно было замечено, что электрический  заряд обладает чем-то подобным инерции. Эта мысль приходила уже в 1834 г. Фарадею в связи с его опытами по самоиндукции, но он её отбросил. Основанием её является тот факт, что при попытках увеличить ток в проводе, его несущем, возбуждается ток противоположного направления; наоборот, при ослаблении тока в проводе индуцируется ток прямого направления. Здесь, однако, дело маскируется влиянием формы проводов, что и сбило Фарадея.

В более  простых случаях позднейшие учёные неоднократно возвращались к мысли  об этой «электрической инерции». Но первым, кто остановился на ней более внимательно и усмотрел в явлении нечто более глубокое, чем простую аналогию, был Дж. Дж. Томсон - впоследствии знаменитый руководитель Кембриджской лаборатории, а тогда, в 1881 году, ещё молодой учёный. Он вычислил14, что будет с металлическим шаром радиуса R, если его зарядить количеством электричества е. Можно рассуждать так: шар, при движении

со скоростью  V, обладает кинетической энергией

m×u²/2,

где т — масса шара.

Если  шар несёт на себе заряд, то его  движение представляет собой некоторый ток; величина этого тока i пропорциональна величине переносимого заряда и скорости движения

i ~ ev или / = Aev.

Вокруг  тока образуется магнитное поле, напряжённость  которого H в каждой точке пропорциональна силе тока, т. е.

H ~ ev или H = Bev.

Наконец, плотность магнитной энергии  в каждой точке даётся выражением

W_m= H²/8p.

Подставив сюда вместо H его выражение, получим

W_m = Ce²u²

и подобное же выражение для суммы всей магнитной  энергии, находящейся вокруг движущегося  заряженного шара

W_m = De²u²

Сумма кинетической энергии шара и его магнитной  энергии будет 

T¢ = m/2×u² + De²u²

что можно  представить так:

T¢ = u²/2(m + 2 De²) = u²/2(m + m¢).

Результат имеет такой вид, как будто  бы масса т увеличилась благодаря присутствию заряда на величину т.

Томсон  вычислил коэффициент D в упрощающем предположении, что скорость движения н мала по сравнению со скоростью света с. Тогда для добавочной (так называемой электромагнитной) массы получается выражение

m¢ = 2/3× e²/Rc² .

Томсон  осторожно называет эту величину «кажущимся приростом массы».

На первых норах было обращено внимание на то, что величина эта очень мала из-за огромного множителя с² в знаменателе; заметить её можно только при очень малых величинах R и больших зарядах е. Но мы напишем её несколько иначе, а именно:

m¢ = 4/3 × 1/ c² × e²/2R,

и вспомним, что e²/2R - есть электростатическая энергия заряженного

шара. Тогда  мы получим, что кажущийся прирост  массы шара измеряется электростатической энергией его заряда, делённой на квадрат  скорости света.

На первых порах этому выводу было признано только ограниченное значение: по ходу его казалось, что он имеет отношение  только к электрическому заряду; поэтому  часто называли добавочную массу  «электромагнитной». И трактовали её именно как добавочную к основному члену истинной инертной массы.

Более общее значение понятие об электромагнитной массе получило в самом конце XIX века, когда, с одной стороны, в  теоретических работах Г. А. Лоренца  было предположено, а, с другой стороны, на опытах Томсона, Кауфмана, Ленарда, Симона и других выяснилось существование электронов — частиц с массой, которая меньше массы атома водорода круглым числом в 1800 раз, а заряд равен по абсолютной величине заряду иона водорода. Относительно этой предельно лёгкой частицы как-то сразу явилось подозрение, что она не обладает истинной инертной массой, а что вся её мас-

са - электромагнитного  происхождения.

Мы не будем излагать всего исторического  хода вопроса. Все существовавшие к  тому времени теории предсказывали, что масса электрического заряда будет зависеть от его скорости (формула Дж. Томсона, указанная выше, выведена была в упрощающем предположении, что скорость вообще мала - подразумевается, по сравнению со скоростью света), но различные теории предсказывали различную зависимость, так как их авторы делали различные предположения о поведении электрона при движении. Абрагам предполагал, что электрон представляет собой неизменяемое твёрдое тело.

Лоренц  думал, что электрон при быстром  движении сокращается в направлении  движения, превращается в сжатый в продольном направлении эллипсоид.

В опытах с быстрыми электронами хотели найти  подтверждение той или иной теории, а кстати, решить важный для нас  вопрос: вся ли масса электрона  является электромагнитной? Думали, что  только электромагнитная масса является переменной при изменении скорости, а истинная масса остаётся неизменной. Из опытов, казалось, можно было вывести, что электрон ведёт себя ближе всего к теории Лоренца и что вся его масса -ектромагнитного происхождения. Но впоследствии, как мы увидим, этот вывод лишился своей доказательной силы.