Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

1.4. «Наинизшая степень холода»

Итак, понятия «тепло» и «температура» были разграничены; был накоплен экспериментальный материал, позволяющий в первом приближении подойти к теории тепловых явлений. Естественно, в порядок дня встал вопрос о там, как далеко может простираться температурная шкала – как вверх, так и вниз.

По части верхнего предела температур и та и другая гипотезы ничего существенного дать не могли; действительно, как определить предельное содержание «тепловой материи» – теплорода в теле (и есть ли такой предел вообще)? Точно также не была возможности установить, какая интенсивность теплового движения молекул (корпускул) тела может быть предельной.

По этим причинам вопросом о существовании верхнего предела температур специально никто не занимался. Он вообще не был в то время актуальным (того, что давал огонь, вполне хватало и для практики, и для научных исследований).

Совсем иная ситуация сложилась в области низких температур. Здесь можно было подойти к решению задачи как с позиций вещественной, так и корпускулярной теорий теплоты. Кроме этого, и в части экспериментального исследования можно было ожидать много нового, в особенности при охлаждении различных газов и жидкостей.

Все занимавшиеся этими запросами с редким единодушием и независимо от приверженности к той или иной гипотезе о природе тепла приходили к выводу, что нижний предел охлаждения несомненно существует.

Первым и здесь был Г. Галилей. Вот его мнение, относящееся к 1613 г.: «При увеличении количества тепларада температура тела повышается, а при уменьшении - понижается. При полном отсутствии теплорода в теле достигается наинизшая возможная температура».

Английский философ Д. Локк, придерживающийся противоположной – корпускулярной теории теплоты, пришел тем не менее к такому же выводу (1698 г.): «...Максимальная степень холода означает прекращение движения неосязаемых частиц».

Уже упоминавшийся ранее в связи с историей создания термометра Гийом Амонтон (1663-1705 гг.) обратился в 1702 г. с двумя докладами во Французскую академию наук, которые, к сожалению, мало известны. Первый доклад посвящен некоторым новооткрытым свойствам воздуха и способам точного определения температуры. Г. Амонтон рассматривал тепло как движение частиц тела, хотя он никак не объяснил природу этого движения. Тепло, по его мнению, служит и общей причиной всех передвижений на земле, ибо «при отсутствии тепла мельчайшие частицы земли остались бы без движения». Он подтверждал это положение наблюдениями над направленным движением воздуха в атмосфере, вызванным воздействием тепла. По существу он был совершенно прав, так как движение масс воздуха в атмосфере, также как воды в морях и океанах, неразрывно связано с тепловыми воздействиями на них.

Мимоходом Амонтон заметил: «Мы не знаем предела тепла и холода, но полученные результаты устанавливают соответствие между ними для тех, кто хочет поразмыслить над этим». В следующем году (1704 г.) Амонтон представил Академии еще одну статью, расширяющую пределы исследований. В ней он подчеркнул, что, поскольку степень тепла в его термометре регистрируется высотой столбика ртути, которую тепло поддерживает воздействием расширяющегося воздуха, то, следовательно, крайняя степень холода будет такой, какая сможет лишить воздух способности к расширению. Это «будет куда более сильный холод, чем тот, а котором мы говорим «очень холодно».

Из экспериментов Амонтона получалось, что воздух не будет сжиматься, если его охладить ниже температуры замерзания воды на числа градусов в 2,5 раза превышающее интервал, разделяющий температуры кипения и замерзания. Другими словами, если разделить его между крайними точками на 100 частей, тогда абсолютный нуль воздушного термометра Амонтона будет на уровне -250°.

Эта удивительно близко к истинному значению абсолютного нуля: -273,15°С.

Вклад Амонтона в науку постигла судьба, которой часто отмечены «слишком передовые» открытия – он был попросту игнорирован, или, во всяком случае, недооценен научным миром того времени (да и позднее). Только Д. Блэк признавал приоритет Г. Амонтона в термометрии и теории теплоты. В частности, он соглашался с положением Амонтона, что воздух можно привести «при достаточном холоде» даже в твердое состоя¬ние. Он, ссылаясь на труды Амонтона, назвал его «выдающимся членам Королевской Академии наук в Париже».

Позже немецкий ученый И. Ламберт повторил в 1750-1755 гг. опыты Амонтона и в работе «Пираметрия», вышедшей в 1779 г. подтвердил его результаты, вновь обратившись к абсолютной шкале температуры. Наблюдения Ламберта были проведены с большой тщательностью и привели к небольшой коррекции значения абсолютного нуля (до —270°С). Ламберт указал, что эта температура мажет быть названа «абсолютным холодом» и при этой температуре объем воздуха практически станет неощутимым. Иными словами, частички воздуха слипнутся вместе, и он будет плотным, как вода.

И. Ламберт справедливо отметил, что открытие Г. Амонтона нашло мало приверженцев потому, что оно было слишком прекрасным и передовым для своего времени. То же самое, кстати говоря, произошло с работой самого Ламберта по теории теплоты.

Все это становится понятным, если сравнить полученные Амонтоном и Ламбертом значения с другими прогнозами, сделанными значительно позже.

Английский врач и физик А. Кроуфорд (в то время такое сочетание было вполне обычным) писал в 1799 г.: «Каждое тело содержит в себе известное количество тепла. Если бы оно могло отдать ее, то само охладилась бы до абсолютного нуля, По моим подсчетам эта температура лежит ниже точки замерзания воды на 1532°». Если даже учесть, что Кроуфорд пользовался шкалой Фаренгейта, полученная им цифра все же очень далека от действительного значения абсолютного нуля (–459,65F). Позже Д. Дальтон в своей «Философии химии» предложил даже цифру –3000°. Можно назвать еще несколько прогнозов положения абсолютного нуля температур, сделанных весьма известными учеными. Так, Лавуазье и Лаплас дали в своей знаменитой работе о тепле два значения: 1500 3000°С ниже точки таяния льда и затем 600°С.

Сторонники корпускулярной теории теплоты тоже не сомневались в существовании абсолютного нуля температур. Петербургский академик Г. Крафт писал: «Тепло и жар, по мнению всех естествословцев, состоит в нарочито скором и смешанном движении малейших частиц между собою, которое тем скорее бывает, чем больший градус жара производит. Ежели же сие внутреннее движение начнет умаляться, что рождается стужей, которая тогда в самый большой градус приходит1, когда сие движение совершенно перестанет и тончайшие частицы между собой в покой приведены будут».

Того же мнения придерживался и М. В. Ломоносов. На основе своего варианта корпускулярной теории, изложенной в работе «О причинах тепла и стужи» (1744 г.), он пришел к выводу, что «по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода, которая должна состоять в полном прекращении вращательного движения частиц».

Но что можно ожидать на пути к «последней ступени холода» в этой неизвестной области «tегга frigidus iпcognita», какие новые открытия она сулит, можно предполагать, только опираясь на известные в то время физические явления.

Следующая страница: Прогнозы возможности изменения агрегатного состояния воздуха