Если наука когда-либо открывала действительно фундаментальные законы, то их, как порою говорят физики, можно пересчитать по пальцам. Важнейшим из них можно считать открытие закона сохранения энергии, который по своему значению значительно шире, чем большинство других законов. А все дело в том, что он лежит в основе всех естественных наук вообще, даже всего научного мировоззрения. Материя и энергия неуничтожимы, ничто не берется ниоткуда и не исчезает никуда – вот его главный посыл, очень простой и логичный.

Догадки о том, что мир должен иметь в своем основании подобный принцип, возникали еще у античных философов, а первую попытку сформулировать его именно как закон совершил еще Михаил Васильевич Ломоносов. В 1744 году он писал: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Эти слова многие помнят еще со школьных лет, пусть не точно и не дословно. Так был утвержден закон сохранения массы и движения как всеобщий естественный закон природы. В 1756 году великий русский энциклопедист сумел подтвердить принцип сохранения материи в форме закона сохранения массы вещества, который до сих пор является одним из важнейших естественнонаучных законов природы, экспериментально. Закон сохранения движения был воплощен в созданной Ломоносовым теории теплоты.

Почти параллельно с Ломоносовым и совершенно независимо от него парижский естествоиспытатель и общественный деятель Антуан Лоран Лавуазье формулирует «закон вечности вещества»: при различных химических превращениях вещество не пропадает, не творится вновь, и поэтому веса участвующих в химическом превращении тел остаются неизменными как до, так и после изменений.

Минуло полвека после того, как Ломоносов написал приведенные выше строки. Член парижской Академии наук французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак занимался изучением свойств газов и в 1807 году поставил опыт, сыгравший важную роль в осмыслении этого принципа.

К тому моменту уже было установлено, что при расширении сжатый газ охлаждается. Мы и сегодня, имея дело с баллончиками с углекислым газом или порою с газовыми зажигалками, наталкиваемся на этот эффект. Гей-Люссак выдвинул гипотезу, что причина данного феномена в том, что теплоемкость газа зависит от его объема. Чтобы проверить свою мысль, Гей-Люссак заставил газ расширяться из сосуда в пустоту – в другой сосуд, из которого был откачан воздух.

Как ни удивительно было наблюдателям видеть результат, но они обнаружили, что температура газа не изменилась. Гей-Люссак так и не смог понять, что он проиллюстрировал своим неудачным экспериментом.

Следующим важным шагом в понимании закона стали исследования русского ученого, одного из основоположников электротехники Эмиля Христиановича Ленца. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока. Таким образом, Ленц наглядно показал и обосновал, как количество выделяемой теплоты связано с силой тока, обеспечив себе достойное место в ряду великих физиков.

Роберт Майер. Гравюра XIX в.

Однако считается, что первым точно сформулировал великий закон сохранения энергии немецкий врач Роберт Майер. История жизни этого человека достойна того, чтобы сказать о ней несколько слов. Роберт Юлий Майер родился в 1814 году в Гейльбронне в семье аптекаря. После школы поступил на медицинский факультет Тюбингенского университета. Здесь он сосредоточился на изучении химии, но был арестован за участие в студенческих волнениях. Под арестом свободолюбивый студент объявил голодовку и был освобожден под домашний арест. Из Тюбингена Майер перебрался в Мюнхен, после в Вену. В результате сдать экзамены и защитить диссертацию он смог только в 1838 году.

Вскоре Майер совершил поступок, который сыграл существенную роль в его будущем открытии. Молодой врач поступил судовым врачом на голландский корабль, который шел в Индонезию. В тропиках он обратил внимание, что цвет венозной крови у жителей тропиков ярче, чем у жителей Европы, и более алый. Майер пришел к выводу, что это происходит потому, что организму приходится вырабатывать меньше теплоты. В жарком климате люди никогда не мерзнут, а потому артериальная кровь у них меньше окисляется и остается почти такой же алой при переходе в вены.

Тогда Майер задался вопросом: изменится ли выделяемое организмом количество теплоты при окислении одного и того же количества пищи в случае, если организм будет еще и выполнять некую работу, а не только выделять теплоту? Если количество теплоты остается неизменным, то из одинакового количества пищи можно получить разное количество тепла. Если количество тепла меняется, то и работа, и теплота восходят к окисленной в организме пище.

Вследствие такого рассуждения Майер объяснил опыт Гей-Люссака. Теплота и работа переходят друг в друга. Если газ расширяется в пустоту, то при отсутствии давления он не производит никакой работы. Следовательно, охлаждаться он не должен. В случае же если внешнее давление имеется, то температура газа должна понижаться.

В результате напрашивается вывод о том, что теплота и работа могут переходить друг в друга, то есть это сходные физические величины, и вопрос лишь в соотношении между ними.

Известно, что теплоемкость газа при постоянном давлении больше, чем при постоянном объеме. Ко времени Майера эти величины были уже хорошо известны, и было установлено, что обе они зависят от природы газа. В итоге стало понятно, что эта разность в теплоте обусловлена тем, что газ, расширяясь, совершает работу. Для любого газа разность теплоемкости газа при постоянном давлении и теплоемкости газа при постоянном объеме есть величина, называемая газовая постоянная, которая зависит от молярной массы и температуры. Ныне уравнение носит имя своего открывателя.

В то же самое время Джеймс Прескотт Джоуль и Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц вели свои изыскания в этом направлении.

Гельмгольц смог установить абсолютную меру для «живой силы» и предложил рассматривать все мыслимые формы энергии в виде энергии кинетической или потенциальной. Опыты Джоуля были посвящены поискам способов подсчета количества работы.

Прежде всего Джоуль начал изучать законы выделения тепла электрическим током и установил, что количество тепла, выделяемое индукционными токами, пропорционально квадрату силы тока. Итогом его экспериментов стал вывод, что тепло можно создавать с помощью механических сил. Далее он сумел выработать определение механического эквивалента тепла, тем самым завершив 200-летний спор о природе теплоты. В результате был сформулирован Первый закон термодинамики: во всех случаях, когда из теплоты появляется работа, тратится количество тепла, равное полученной работе, и наоборот, при затрате работы получается то же количество тепла.

Сегодня мало кто помнит, что Первый закон термодинамики первое время называли «вечный двигатель невозможен». Именно открытие этого закона доказало, что создать подобное устройство нельзя. Правда, находятся и сегодня чудаки, которые слишком плохо учили физику в школе…