Джоуль и другие
Покупка
Новинка
Тематика:
Электричество и магнетизм. Физика плазмы
Издательство:
КМК
Автор:
Булюбаш Борис Викторович
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 114
Дополнительно
Вид издания:
Научно-популярная литература
Уровень образования:
Дополнительное образование взрослых
ISBN: 978-5-907533-87-5
Артикул: 817904.02.99
Доступ онлайн
В корзину
Джеймс Прескотт Джоуль, английский физик-экспериментатор викторианской эпохи, один из авторов закона сохранения энергии. «Джоуль и другие» - первая биографическая книга на русском языке, рассказывающая о его жизни и о сделанных им научных открытиях. В книге семь глав, в том числе: «Силы и энергия: Фарадей против Джоуля»; «Джоуль и Уильям Томсон»; «Джоуль и научное сообщество». Отдельные главы представляют собой практически законченные тексты и поэтому их можно читать в любой последовательности.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 00.03.04: История
- 00.03.38: Физика
- ВО - Специалитет
- 00.05.04: История
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
��������������������������������������������������������������������
Оглавление Предисловие .......................................................................................6 Литература .................................................................................9 Структура книги ........................................................................9 Благодарности .........................................................................10 Глава 1. Джоуль и электрическая эйфория ....................................11 Детство и юность. Частные уроки у Джона Дальтона ........ 12 Гальванометр, соленоид, электромотор… ........................... 14 Электродвигатель: от романтических прогнозов к суровой реальности ..............................................................18 Мориц Якоби и Джеймс Джоуль ........................................... 21 Литература ...............................................................................22 Глава 2. Джоуль и Ленц ...................................................................23 Эмилий Христианович Ленц .................................................24 Нужен ли электродвигателю источник энергии? ...............25 Авторитет экспериментатора: Джоуль против Ленца ........26 Джоуль и общество «Lit & Phil» ............................................28 Где рождается теплота ...........................................................29 Механическая «ценность» теплоты...................................... 31 Судьбы творцов закона ..........................................................33 Литература ...............................................................................37 Глава 3. «Силы» и энергия: Фарадей против Джоуля .................38 Про «силу» и энергию ............................................................39 Популярный теплород .......................................................... 40 Джоуль против Фарадея ......................................................... 41 О законе Джоуля–Ленца и слепоте Лондонского королевского общества ..........................................................42 Фарадей и ранняя история закона сохранения энергии .....................................................................................44 «Не проникся в полной мере новым видением ситуации…» ..............................................................................45 Механический эквивалент теплоты .....................................46 Фарадей — рецензент Джоуля. Слова против слов .............47 О разрушении неразрушаемой «силы» ...............................48 «Сила» Джоуля и «сила» Фарадея ........................................49
Б.В. Булюбаш Джоуль и другие Кому и для чего нужна наука? ...............................................50 Литература ............................................................................... 51 Глава 4. Джоуль, Майер и другие: спор длиною в полтора десятилетия ..............................................52 Медаль Королевского общества ............................................52 Джоуль и Майер .....................................................................53 Роберт Майер: наука и жизнь ................................................56 «Силы» Роберта Майера ........................................................57 Неизвестный эксперимент известного химика ..................59 Начало приоритетного спора ................................................ 61 Признание с оговорками .......................................................63 Спор о приоритете: неожиданное продолжение ................64 Участники спора ............................................................64 Полемика на страницах Philosophical Magazine ........65 Почему Джон Тиндаль реанимировал старый спор? ..................................................................66 Джон Тиндаль vs Питер Тэт ........................................67 Джоуль и Тиндаль .........................................................69 Луна горячая? ...............................................................70 Финал спора ...................................................................70 Литература ............................................................................... 71 Глава 5. Джоуль и Томсон ...............................................................74 Встреча в Оксфорде ................................................................74 Признание ...............................................................................76 Неуничтожимая vis viva .........................................................76 Водопад как возможный объект научного исследования ..........................................................78 О судьбе научных инструментов ..........................................82 Виктор Реньо и несостоявшийся приоритетный спор ......83 Как измерить неидеальность газа? .......................................84 Жжение в пальце и «падающие звезды» ............................86 Литература ...............................................................................89 Глава 6. Джоуль: физик vs пивовар ............................................... 91 Проблемы реконструкции .................................................... 91 Термометры и пивовары ........................................................95 Джоуль — пивовар, желающий стать физиком? ................95 Литература .............................................................................100
Оглавление Глава 7. Джоуль и научное сообщество: новые измерения ...... 101 Член Лондонского королевского общества, почетный доктор Оксфорда, et cetera… .............................. 101 Механический эквивалент теплоты и подводный телеграф .........................................................102 Джоуль проверяет Максвелла .............................................103 Пенсионная история.............................................................106 Память .................................................................................... 110 Литература ............................................................................. 110 Основные даты жизни и научного творчества Джеймса Джоуля .............................................................................112
ß óáåæäёí, ÷òî ñäåëàë êîå-÷òî ïîëåçíîå, íî íè÷åãî, èç-çà ÷åãî ñòîèò ñîçäàâàòü øóìèõó. Дж. Джоуль Предисловие Биография Джеймса Прескотта Джоуля — английского физика викторианской эпохи, признанного одним из трех авторов закона сохранения энергии — весьма нетипична. Джоуль не учился в университете; с 16 лет работал на пивоваренном заводе своего отца Бенджамина Джоуля. Все свои открытия он сделал в свободное от основной работы время. Местом этих открытий была лаборатория с уникальным набором инструментов. Расходы по оборудованию и лаборатории, и исследований Джеймса взял на себя Бенджамин Джоуль. В итоге лаборатория Джоуля была единственной в Англии девятнадцатого столетия частной физической лабораторией. Это означало, что в выборе тематики своих исследований Джоуль был свободен. В ситуации, когда научное сообщество не проявляло интереса к его работе, он продолжал ее — продолжал измерять механический эквивалент теплоты. Терпение и настойчивость Джоуля были вознаграждены. В итоге концепция механического эквивалента теплоты стала составной частью учения о сохранении энергии. А Джоуль — в период с 1840 по 1870 г. — стал абсолютным рекордсменом по числу упоминаний в вышедших в этот период статьях и книгах, посвященных физике тепловых явлений. Литература о Джоуле на русском языке практически отсутствует. Возникло желание заполнить этот пробел в отечественной историко-научной литературе. Кроме того, привлекала сама по себе английская наука. Вот как характеризуют ее сами англичане — представители научного сообщества — в петиции, предлагающей назначить Джоулю государственную пенсию. Петиция была адресована премьер-министру Б. Дизраэли. «До сих пор научная репутация этой страны среди других европейских стран в большей степени определялась достижениями отдельных личностей, нежели вкладом больших групп. Этими достижениями мы обязаны
Предисловие усилиям людей, мотивацией для которых была в большей степени любовь к знанию, а не занимаемая ими должность». В превосходных выражениях описывал характерные для английской науки методы познания Павел Флоренский: «Ей дорог сырой факт, ей дорога природа и дорого описание действительности посредством символов, избираемых всякий раз наиболее соответственно умственному складу данного исследователя». Джеймс Прескотт Джоуль, владелец физической лаборатории с уникальными термометрами, которыми умел измерять температуру только он сам, прославился не только как физик-экспериментатор. Его имя упоминается в истории астрономии как первого, кто проанализировал выделение теплоты при движении метеоров в земной атмосфере. Джоуль также является одним из основоположников молекулярно-кинетической теории: он впервые рассчитал давление газа, исходя из представления о молекулах как движущихся прямолинейно упругих шариках. Что касается идеи сохранения энергии, то здесь Джоуль следует традиции Ньютона и Бойля, считавших Создателя автором законов природы. «Могучие силы природы, созданные велением Творца, неразрушимы; и во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, всегда получается точное эквивалентное количество тепла». Это цитата — из статьи Джоуля в научном журнале. В публичной лекции, прочитанной 28 апреля 1847 г. в библиотеке манчестерской церкви Св. Анны, Джоуль, не ограниченный рамками научного издания, был свободнее в изложении своих взглядов. Впечатляющий фрагмент этой лекции приводят в научном бестселлере «Порядок из хаоса» его авторы, лауреат Нобелевской премии Илья Пригожин и журналистка Изабелла Стенгерс: «Явления природы: механические, химические или биологические состоят почти полностью из непрерывного превращения тяготения на расстоянии, живой силы (кинетической энергии) в тепло и наоборот. Тем самым поддерживается порядок во Вселенной: ничто не растрачивается, ничто не утрачивается, а весь механизм при всей своей сложности работает слаженно и гармонично. И хотя, как в ужасном видении пророка Иезекииля, “казалось, будто колесо находилось в колесе” и все кажется сложным и вовлеченным в хитросплетения почти неисчерпаемого многообразия причин, следствий, превращений и выстраивания в определенной последовательности, тем не менее сохраняется идеальный порядок и все бытие послушно непререкаемой воле Бога». Важнейшая функция науки, считает Джоуль, состоит в том, чтобы помогать человеку совершенствовать себя, развивая спо-
Б.В. Булюбаш Джоуль и другие собность удивляться созданному Творцом. Совершенствовался и сам Джоуль. В первые годы его научной биографии его квалификация как ответственного экспериментатора нередко ставилась под сомнение. Именно по этой причине у закона Джоуля–Ленца два автора: петербургский физик Эмилий Ленц, знакомый с соответствующей работой Джоуля, тем не менее решил перепроверить полученные им результаты. Джоуль услышал критику, и его «работа над ошибками» была замечена. Так, в 1847 г. вышел в свет один из важнейших текстов в истории закона сохранения энергии — монография немецкого естествоиспытателя Германа Гельмгольца «О сохранении силы». Гельмгольц, обсуждая эксперименты Джоуля, в том числе пишет: «его методы измерения мало соответствуют сложности изучаемого явления…». В 1881 г. мемуар «О сохранении силы» был переиздан. В новом издании Гельмгольц помещает следующее примечание к своей реплике: «Это суждение относится только к первым, сделавшимся известными в то время опытам Джоуля. Более поздние опыты того же исследователя, произведенные с глубоким знанием дела и железной энергией, заслуживают глубочайшего удивления». Внешне Джоуль ничем не напоминал человека с железной энергией. Как вспоминает его биограф Рейнольдс, ростом Джоуль был ниже среднего, был слегка полноват, а его походка и движения рук отличались некоторой нервозностью. Рейнольдс вспоминает « красивую голову» и лицо, на котором запечатлелись длительные напряженные размышления. При наличии двух работ ни о каком хобби Джоуля говорить не приходится; впрочем, друзья вспоминают о его увлечении «поэзией чепухи», самым известным представителем которой был современник Джоуля Эдвард Лир, особенно прославившийся своими лимериками. Любовь к «поэзии чепухи» вполне уживалась с консервативностью Джоуля. Он, к примеру, был активным противником метрической системы. В то же время, по-видимому, именно здоровый консерватизм удержал Джоуля от некоторых гипотез, которым была суждена короткая жизнь …изучая свойства метеоров он — в отличие от Уильяма Томсона и Роберта Майера — не соблазнился гипотезой о том, что источником энергии Солнца являются столкновения метеоров с его поверхностью. Одна из посвященных Джоулю биографических статей называется « James Joule as Devotee». Devotee — по-русски «подвижник»… В следующем за Джоулем поколении таких подвижников уже не было. Наука окончательно стала профессией.
Предисловие Литература Пригожин И.Р., Стенгерс И. 1986. Порядок из хаоса. М.: Прогресс. Флоренский П.А. 1989. У водоразделов мысли // Вопр. истории естествозн. и техн. № 1. C. 67–79. Щербаков Р.Н. 2018. Его опыты заслуживают глубочайшего удивления // Энергия: экономика, техника, экология. № 5. С. 58–67. Cardwell D. 1989. James Joule: A biography. Manchester. Kargon R.H. 1977. James Joule as Devotee // Kargon R.H. Science in Victorian Manchester: Enterprise and Expertise. Manchester. P. 49–60. Reynolds O. 2012. Memoir of James Prescott Joule. Ulan Press. Структура книги В книге семь глав. Первая глава рассказывает о начальном периоде научной биографии нашего героя. В эти три года Джоуль приходит к выводу о бесперспективности электродвигателей в сравнении с двигателями паровыми и открывает эффекты магнитострикции и магнитного насыщения. Вторая глава рассказывает о Джоуле и российском физике Эмилии Христиановиче Ленце в контексте закона теплового действия тока. В третьей главе обсуждается рецензия на статью Джоуля, написанная Майклом Фарадеем. Героями четвертой главы, помимо Джоуля, стали У. Томсон, Дж. Тиндаль, П. Тэт — участники дискуссии, инициированной письмом Майера в Парижскую Академию наук о своем приоритете в определении механического эквивалента теплоты. Пятая глава рассказывает о сотрудничестве Джоуля и У. Томсона. Отмечена ключевая роль Томсона в процессе признания Джоуля научным сообществом. В шестой главе рассказано о гипотезе историка Отто Зибума. Зибум считает, что умение Джоуля измерять температуру сформировалось во время его работы технологом на пивоварне. В заключительной седьмой главе представлены разные форматы взаимоотношений Джоуля и научных обществ. В том числе рассказана пенсионная история — история успеха научного сообщества в целом, уровень консолидации которого убедил
Б.В. Булюбаш Джоуль и другие власть назначить Джоулю (вслед за Фарадеем) государственную пенсию. Порядок глав примерно соответствует временной последовательности описываемых событий, при этом каждую главу можно читать как самостоятельный текст. Благодарности Прежде всего я благодарен жене — за уверенность, что книга будет написана и что это случится в обозримом будущем. И за внимание к моим рассказам о том, что еще я собираюсь написать. Ее замечания и предложения всегда были уместными и способствовали улучшению текста. Некоторые иллюстрации были ранее опубликованы в статьях автора в научно-популярном журнале «Природа».
Глава 1. Джоуль и электрическая эйфория С Джеймсом Прескот- том Джоулем, английским физиком викторианской эпохи, российский школьник встречается по меньшей мере два раза. Первый раз, когда «проходит» закон сохранения энергии. Джоуль — соавтор одного из самых главных законов физики. В экспериментах Джоуля было доказано существование механического эквивалента теплоты — коэффициента, связывающего единицу измерения механической энергии (джоуль или Дж в системе СИ) и внесистемную единицу измерения количества теплоты (т.е. калорию). В этих же экспериментах было установлено численное значение коэффициента. Второй раз имя Джоуля появляется в школьном курсе физики в параграфе о тепловом действии электрического тока. Согласно закону Джоуля–Ленца, в проводнике, по которому протекает электрический ток, выделяется количество теплоты, пропорциональное квадрату силы тока и сопротивлению проводника. Закон установили независимо друг от друга Джоуль и российский физик Эмилий Христиано- вич Ленц. Третий раз имя Джоуля мы встречаем уже в университетском курсе физики — в связи с эффектом Джоуля–Томсона. Рис. 1. Джеймс Прескотт Джоуль.
Б.В. Булюбаш Джоуль и другие Детство и юность. Частные уроки у Джона Дальтона Джеймс Джоуль родился 24 января 1818 г. в Солфорде. Джеймс был вторым ребенком в семье Бенджамина Джоуля, владельца пивоваренного завода и Алисы Прескотт. У Джоулей родилось семеро детей, два мальчика умерли в младенческом возрасте. У Джеймса были старший брат Бенджамин, младший брат Джон и две сестры — Алиса и Мэри. Наиболее близкие отношения сложились у него со старшим братом. Биографы отмечают, что практически у всех членов семьи Джоулей были проблемы со здоровьем. У Джеймса был больной позвоночник; в известной степени это сказалось на его биографии: болезненный вид явно не способствовал популярности Джоуля как лектора. Из-за проблем со здоровьем Джеймс был освобожден от посещения школы. «За компанию» родители освободили от школьных уроков также и старшего брата. Семья владельца пивоваренного завода могла себе позволить частное образование двум сыно- Рис. 2. Дом Джоуля в Солфорде, графство Большой Манчестер. Фото Б. Прайса.
Глава 1. Джоуль и электрическая эйфория вьям. Школу Джеймсу и Бенджамину заменили занятия по различным дисциплинам под руководством опытных тьюторов. А когда Джеймсу исполнилось 16 лет, отец направил его и Бенджамина изучать химию к жившему в Манчестере члену Королевского общества, автору первой систематической теории атомов Джону Дальтону. Известность не гарантировала Дальтону стабильного дохода, и знаменитый химик, хотя и получал персональную королевскую пенсию, вынужден был «подрабатывать» частными уроками — тем более, что он обладал несомненным педагогическим талантом. Действительно, по крайней мере четыре «частных» ученика Дальтона были избраны в Лондонское королевское общество. На протяжении трех лет два раза в неделю Джеймс и Бенджамин были собеседниками выдающегося человека. В апреле 1837 г. Дальтон заболел, регулярные занятия прекратились, но между учениками и учителем на всю жизнь сохранились теплые отношения. Частные уроки Дальтона биографы Джоуля рассматривают как важный этап в формировании его как самостоятельного исследователя. Позже Джоуль вспоминал: «У Дальтона была редкая способность настраивать своих учеников на поиск научной истины; именно его уроки сформировали у меня желание приобретать знание в оригинальных исследованиях». Нет сомнения, что именно Дальтон передал ученику свои убеждения в реальном существовании атомов. Не случайно Джоуль стал одним из основоположников молекулярной кинетической теории (МКТ). В то самое время, когда подавляющее большинство физиков – современников Джоуля, рассматривали атом как не более чем удобную модель, сам он был сторонником реаль- Рис. 3. Старший брат Джеймса Джоуля Бенджамин Джоуль.
Доступ онлайн
В корзину