§ 105. Краткие сведения из истории

Появлению в физике понятий «работа», «энергия» и «закон сохранения энергии» предшествовал долгий период накопления человеком знаний о природе, о мире, о законах, которым подчиняются все явления во Вселенной.

Если подойти формально, то мы найдем слово «энергия» у Аристотеля, «золотое правило» — у древних греков, обнаружим, что этим правилом пользовался Архимед. Но все они использовали эти

понятия не в том смысле, в каком используем их мы. Первые научные представления, связанные с этими понятиями, начали рождаться только в XVII в. Окончательно их смысл и значение стали ясны лишь к концу XIX в.

Как было уже сказано, «золотым правилом» механики в Биде «что выигрываешь в силе, то проигрываешь в расстоянии» пользовались еще древние греки. Но впервые это правило много веков спустя использовал Галилей для решения ряда механических задач. Невозможность создания вечного двигателя была ясна многим ученым еще в XV—XVI вв., но впервые утвердил и использовал ее Стевин при расчете равновесия тел на наклонной плоскости.

Весь этот период до XVIII в. является очень сложной, романтической эпохой подготовки, отыскания и открытия точной формулировки закона сохранения энергии; эпохой, когда нужно было очень старательно иногда маскировать и защищать открытия науки от догматов и посягательств церкви. Эта история вполне соответствует историям и духу романов плаща и шпаги, которые были характерны для той эпохи.

В конце XVIII в. были установлены два фундаментальных (как тогда считали) принципа — «теорема о живых силах» и «принцип невозможности вечного двигателя». Эти принципы выражали собой только два частных случая действия закона сохранения энергии.

Понадобилось еще более шестидесяти лет XIX в., чтобы ученые поняли, что эти принципы — два выражения одного и того же всеобщего закона природы: закона сохранения энергии. Понимание этого в то время не пришло бы, если бы жизнь и производственная деятельность людей не потребовали от ученых ответа на вопросы: Как получать из тепла механическую работу? Как рассчитывать, паровые машины, шахтные насосы? Как вообще превращать тепло и электричество в работу, полезную для человека? И в это же время перед учеными особенно остро начал вставать вопрос о всеобщей взаимосвязи всех явлений природы.

Понятие о работе развивалось вначале в рамках технической механики и инженерного дела. Так, в XVIII в. для оценки работоспособности водоподъемных машин принимают то количество воды, которое поднимает машина на определенную высоту за час. Например, в русском руководстве по горному делу, которое было издано в 1760 г., дается такая характеристика -водоподъемной паровой машины: «Когда оная машина исправно учреждена, то каждый час вышиною на сорок сажень пятьсот восемьдесят ведер воды поднимает».

В 1774 г. русский ученый Семен Котельников в своем курсе механики использует для оценки действия силы произведение силы на расстояние. Он пишет: «Действие силы равно тягости, умноженной на перейденный ею путь. Действие машины состоит в произведенном количестве движения. А оное количество движения равно тягости, помноженной на путь, ею перейденный. Следовательно, и действие силы равно тягости, помноженной на перейденный ею путь».

Само слово «работа» было введено в физику только через тридцать лет, в 1826 г. французским математиком и механиком Жаном Понселе и затем в 1829 г. французским инженером Гюставом Кориолисом.

С первых лет XVII в. начался в физике спор о том, что принимать за меру движения, от чего и как зависят запасы движения у тел. Начало спору положила одна из работ знаменитого французского философа, математика и физика Рене Декарта (1596—1650). В этой работе Декарт впервые сформулировал закон сохранения движения и принял за меру движения то, что мы сейчас называем количеством движения (или импульсом) тела. Но Декарт не учитывал векторного характера этой величины и совершил ряд ошибок.

В 1686 г. крупнейший немецкий математик, физик и философ Готфрид Лейбниц в статье «Краткое доказательство примечательной ошибки Декарта и других» опровергает закон Декарта. Он дает свой закон - закон живых сил. С этой работы Лейбница и начинается история понятия кинетической энергии. Лейбниц понимал иод живой силой величину т. е. удвоенную кинетическую энергию тела. Сам термин «кинетическая энергия» появился только в начале XIX в. в работе английского ученого Томаса Юнга. Юнг под словом «энергия» понимал уже «способность тела производить работу вследствие приобретенной скорости».

Понятие потенциальной энергии впервые было дано в девяностых годах XVIII в. в работах французского инженера и математика Лазаря Карно и вошло во всеобщее употребление только в середине XIX в. благодаря трудам английского ученого Ранкина.

В упомянутой работе Лейбница впервые в своеобразной форме прозвучало научное содержание закона сохранения энергии. Правда, для очень частного случая, когда механическое движение не превращается в другие формы движения материи.

Однако настоящая научная история закона сохранения энергии в том виде, как мы его понимаем сегодня, начинается с великого ученого, первого русского академика М. В. Ломоносова (1711— 1765).

В своем письме к петербургскому академику Эйлеру в 1748 г. Ломоносов писал: «Если встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого... Тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

В своих научных исследованиях М. В. Ломоносов считал важнейшим отыскание связей между отдельными явлениями природы. Он был глубоко убежден в том, что в природе «все согласуется», что «все связано единою силою и согласованием природы» и, наконец, что «согласие всех причин есть самый постоянный закон природы». И это согласие он видел только в движении, неотъемлемом качестве материи, в признании единства материи и движения. В открытии наиболее общего смысла закона сохранения энергии

М. В. Ломоносов намного опередил всех других ученых. Понадобилось еще сто лет для того, чтобы формулировка, найденная М. В. Ломоносовым, получила всеобщее признание, чтобы закон сохранения и превращения энергии был признан как общий закон природы, действию которого подчиняется не только неживая, но и живая природа.

В 1841 г. немецкий врач и физиолог Роберт Майер, занимаясь медицинскими исследованиями, пришел к убеждению о неразрушимости различных движений и о их способности превращаться друг в друга. В 1842 г. он опубликовал свои «Замечания о силах неживой природы», в которых рассмотрел превращения механической энергии в тепловую и высказал утверждение о существовании механического эквивалента теплоты. В августе 1843 г. английский физик Джеймс Джоуль напечатал работу «О теплоте, выделяемой металлическим проводником электричества», в которой дал описание своих опытов и высказал мысль о существовании связи между тепловой, химической и электрической энергиями.

В это же время, независимо от Джоуля, петербургский академик Э. X. Ленц открыл закон, связывающий количество тепла, выделяющегося в проводнике, с силой тока. И, наконец, в 1847 г. вышла знаменитая работа «О сохранении силы» молодого немецкого врача и естествоиспытателя Германа Гельмгольца, в которой уже полностью обосновывается и утверждается сохранение энергии как всеобщий закон природы.

Окончательное установление закона сохранения энергии было революционным шагом в науке. Этот закон воедино связал все физические явления, показал во всем величии единство природы.

Уже в XX в. нашла подтверждение еще одна гениальная догадка Ломоносова, о взаимосвязи законов сохранения массы и энергии. В 1905 г. Эйнштейн в своей теории относительности показал, что инертные свойства тел зависят от полного запаса энергии, содержащейся в этих телах. Он нашел, что инертная масса тела и энергия всех видов, запасенная в этом теле, связаны простым соотношением где с — скорость света.