Неоткрытые открытия, или Кто это придумал? - Марина Рабинович

Распря разгорелась снова в связи с появлением в 1704 году «Оптики» Ньютона, в которой автор дал наконец долгожданное печатное изложение своего метода. В безымянной, но написанной, очевидно, Лейбницем рецензии на «Оптику» в Acta Eruditorum при всех похвалах, расточаемых по адресу Ньютона, рецензент истолковывает выводы Ньютона в терминах дифференциального исчисления. Сам Ньютон, как он утверждал позднее, понял эту рецензию как прямое обвинение в плагиате. Спор возобновился с новой силой: один из самых ревностных учеников Ньютона Джон Кейль в работе «О законе центральных сил» в 1708 году поместил такой абзац: «Все это следует из столь знаменитого теперь метода флюксий, первым изобретателем которого был, без сомнения, сэр Исаак Ньютон, как в этом легко убедится каждый, кто прочтет его письма, опубликованные Уоллисом. То же исчисление опубликовано позднее Лейбницем в Acta Eruditorum, причем он только изменил название, вид и способ обозначений».

Замечательно, что почти все статьи в защиту Ньютона были написаны им самим и лишь опубликованы под именами его друзей. Обвинения Лейбница в плагиате стали звучать еще определеннее. И тут Лейбниц, как член Королевского общества, совершил ошибку, обратившись с жалобой на Кейля. Ньютон, будучи президентом общества, назначил для разбора дела «незаинтересованную» комиссию, «случайно» составленную из друзей Ньютона. Но и этого было мало: он сам пишет отчет комиссии и заставляет общество его опубликовать, официально обвиняя Лейбница в плагиате. Вдобавок к тому, чувствуя себя все еще неудовлетворенным, Ньютон анонимно публикует сжатый пересказ этого отчета в газете Королевского общества.

В середине 1713 года вышла книга, являющаяся результатом работы комиссии. В книге изложена уже известная нам переписка и приведено мотивированное решение комиссии, заканчивающееся следующей фразой: «По этим основаниям мы считаем Ньютона первым изобретателем и думаем, что Кейль, утверждая это, не сделал ничего несправедливого по отношению к Лейбницу». Лейбниц отвечал безымянным листком, где Ньютону бросался ряд упреков: напоминалась полемика Ньютона с Гуком, присваивание Ньютоном астрономических наблюдений Флемстида и пр. В спор вовлекались все новые ученики Ньютона – Кейль, Котс, Тэйлор и другие.

До 1714 года сам Ньютон старался оставаться в тени, но позднее ему пришлось вести полемику и от своего имени. Спор не закончился и даже после смерти Лейбница в 1716 году. Говорят, что Ньютон по поводу кончины своего противника заявил, что он получил большое удовлетворение от того, что ему удалось «разбить сердце Лейбница».

И все-таки где же правда?

Длительное изучение вопроса привело историков математики к выводу, что основы анализа бесконечно малых были открыты Ньютоном и Лейбницем независимо, причем несомненно, что открытие Ньютона сделано несколькими годами ранее. Но теория приобрела силу только после того, как Лейбницем было доказано, что дифференцирование и интегрирование – взаимно обратные операции. Об этом свойстве хорошо знал и Ньютон, но только Лейбниц увидел здесь ту замечательную возможность, которую открывает применение математического анализа. А в науке их имена стоят рядом – например, в названии формулы Ньютона – Лейбница.

Закон сохранения энергии: Роберт фон Майер и Джеймс Прескотт Джоуль

В 1838 году Роберт фон Майер, немецкий врач и естествоиспытатель, получил степень доктора медицины. В этом же году в качестве судового врача он на торговом корабле отправился в Батавию. До 1942 года это был главный город Нидерландской Индии на острове Ява, сейчас мы называем его Джакартой. Во время этого путешествия фон Майер сделал открытие, перевернувшее всю его жизнь.

В тропиках часть команды серьезно заболела, и фон Майер избрал одним из методов лечения популярное в те времена кровопускание.

На рейде в Батавии фон Майер произвел немало кровопусканий и заметил, что «кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать, что попал на артерию». Отсюда он сделал вывод, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном отношении с разницей в цвете обоих видов крови, то есть артериальной и венозной… Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме… Это казалось невероятным, но так было не у одного, а у всех пациентов».

Другими словами, фон Майер пришел к заключению, что в тропиках, где жарко и для поддержания температуры тела нужно меньше энергии, не весь кислород отдается тканям – то есть окислительные процессы идут при значительно меньшем потреблении кислорода. Этот вывод стал результатом многих часов размышлений. Перед фон Майером встал вопрос: как изменится количество теплоты, выделяемое организмом при переработке пищи, если он при этом будет совершать работу? Если бы количество теплоты не изменилось, то из того же количества пищи можно было бы получать больше тепла путем перевода работы в тепло (например, через трение). Если же количество теплоты изменится, значит, работа и тепло должны быть каким-то образом связаны и между собой, и с процессом переработки пищи. Подобные рассуждения привели Майера к формулированию закона сохранения энергии в качественной форме: «Движение, теплота и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к единой силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам». Это уже фактически была формулировка закона сохранения энергии.

Тому же фон Майеру принадлежит перенос закона сохранения энергии на астрономические тела: он утверждал, что тепло, которое поступает на Землю от Солнца, должно сопровождаться химическими превращениями или механической работой на самом Солнце: «Всеобщий закон природы, не допускающий никаких исключений, гласит, что для образования тепла необходима известная затрата. Эту затрату, как бы разнообразна она ни была, всегда можно свести к двум главным категориям, а именно: она сводится либо к химическому материалу, либо к механической работе». Автору этих слов не было в то время и тридцати. В письме к другу, психиатру Вильгельму Гризингеру, он писал, что для своего закона у него есть доказательство от противного – факт невозможности существования перепетуум мобиле, «вечного двигателя».

Фон Майер сформулировал свои выводы во вполне конструктивной для физиков того времени форме, однако, несмотря на это, ему так и не удалось опубликовать их в физических журналах. В ведущем на тот момент журнале Annalen der Physik und Chemie его статью отклонил главный редактор журнала Иоганн Поггендорф. Тот имел определенные основания достаточно негативно отнестись к работе Майера: высказанные в ней идеи были изложены еще довольно туманно.

Позже эта работа была обнародована в немецком фармакологическом журнале Annalen der Chemie und Pharmacie и в брошюре, изданной фон Майером за свой счет. Но на его статью в журнале не обращали внимания целых двадцать лет, вплоть до 1862 года, когда ее обнаружил немецкий физик и математик Рудольф Клаузиус.

В работе 1851 года «Замечания о механическом эквиваленте теплоты» фон Майер впервые пытался защитить свой приоритет. Он признал, что открытие сделано им случайно (и было связано с наблюдениями на Яве), но «оно все же моя собственность, и я не колеблюсь защищать свое право приоритета». Он ссылался на статью 1842 года, цитировал ее, приводил значение механического эквивалента теплоты, разъяснял собственные взгляды на воздействие и особенности того, что позднее назвали энергией.

То, что возможно получить тепло за счет выполнения механической работы, с убедительностью было установлено еще опытами Бенджамина Румфорда и Хэмфри Дэви, произведенными в конце XVIII века. Эти опыты свидетельствовали, что тепловая и механическая энергия – одно и то же. Что, вероятно, экспериментально можно найти механический эквивалент теплоты, то есть определить количество работы в механических единицах, эквивалентное тому же количеству теплоты в тепловых единицах.

Эксперименты, в которых за счет механической энергии создавалась теплота, следовали один за другим. Среди ученых, успешно занимавшихся этой проблемой, конечно, первым следует назвать английского физика Джеймса Джоуля. Он выбрал целью своей жизни доказательство того, что теплота – это форма энергии.

Страсть к науке выдающегося физика-экспериментатора была беспредельной. Даже во время медового месяца он находил время для измерения температуры воды у вершины и подножия живописного водопада, около которого они с молодой женой жили. Он делал это для того, чтобы убедиться, что разность значений температуры воды соответствует закону сохранения энергии.