Холодно – горячо
Чем успешнее научная деятельность ученого, тем меньше в его жизни всякого рода приключений. К примеру, Джеймс Прескотт Джоуль целыми днями возился с хитроумными приборами, пропадал в лаборатории, что-то там измерял. А по воскресеньям ходил в церковь. И в этом была вся его жизнь. Между тем без исследований Джоуля человечество вряд ли пришло бы к пониманию природы теплоты и к ее максимальному использованию в паровых машинах, а после и в двигателях внутреннего сгорания. Благодаря этой тихой революции самобеглые коляски появились на улицах городов, а обыватели обзаводились новыми приборами, которые считали очень необходимыми, – градусниками, или термометрами.
Первый термометр придумал в 1592 году Галилео Галилей. Он сделал из стекла небольшой шарик с присоединенной к нему стеклянной трубкой. Когда шарик нагревали, воздух в нем расширялся и выталкивал из трубки воду. При охлаждении же воздух сжимался и вода входила в трубку. Преемник Галилея по кафедре математики и физики во флорентийском университете Эванджелиста Торричелли (Evangelista Torricelli; 1608–1647) соорудил первый жидкостный термометр, усовершенствовав конструкцию Галилея. В термометре Галилея шарик, который нагревали или охлаждали, находился в верхнем конце трубки. Саму трубку надо было держать так, чтобы ее край находился в сосуде с водой. Торричелли перевернул прибор шариком вниз, а в трубку налил спирт. Большинство термометров до сих пор работают на основе того же принципа – свойства расширения жидкостей при нагревании. Имя Торричелли, кстати, было увековечено последующими поколениями физиков. Внесистемную единицу измерения атмосферного давления, которую мы привыкли называть миллиметром ртутного столба, переименовали в торр.
В 1714 году немецкий физик Даниэль Габриэль Фаренгейт (Daniel Gabriel Fahrenheit; 1686–1736) изготовил первый градуированный термометр, наполненный не водой, а ртутью. В фамилии Фаренгейта четко видится немецкое слово fahren («ехать»). Предки физика, действительно, немало изъездили южное побережье Балтийского моря. Здесь цепочкой расположились немецкие города, вдоль которых пролегал путь транзитной торговли между Россией, Скандинавией, Германией и Фландрией. Еще в XIII веке эти города объединились в союз, который стал называться Ганзой. В Ганзу входили не только немецкие города. Новгородские и псковские купцы успешно торговали с заморскими гостями, а новгородские же ушкуйники и землепроходцы охотно торили пути на северо-восток, вдоль неуютных берегов Северного Ледовитого океана, зная, что сбыт найденным в этих краях богатствам (главным образом, мехам и моржовой кости) будет обеспечен.
Прадед Фаренгейта жил в Ростоке, а затем в Кёнигсберге. Дед, Райнгольд Фридрих, переехал из Кёнигсберга в Данциг. Здесь фортуна ему улыбнулась, торговые дела пошли отлично, и он стал одним из самых богатых людей в Восточной Пруссии. Сын Даниэль сочетался браком с дочерью известного в Данциге купца Шумана. У пары было пятеро детей, Даниэль Габриэль был старшим.
Отец и мать умерли внезапно и одновременно. Даниэль Габриэль в 16 лет стал главой семьи. Он перебрался в Амстердам и начал там заниматься торговлей.
В постоянных переездах по городам Голландии, Северной Германии и Дании Фаренгейт свел знакомство со многими естествоиспытателями. Он понял, что университеты – не только цитадель науки, но и новый рынок сбыта. Ученые из Лейдена, Копенгагена, Лейпцига, Берлина охотно будут покупать изделия из стекла, те же барометры и термометры. В 1717 году Фаренгейт поселился в Гааге и первым в своей семье начал заниматься наукой и даже получать от этого прибыль.
Термометры Фаренгейта, снабженные шкалой, хорошо продавались. Наконец-то у ученых появилась возможность единообразно определять температуру! Фаренгейт ввел стандартную температурную шкалу де-факто. Так 250 лет спустя фирма IBM начала массовое производство персональных компьютеров и заставила всех последующих производителей принять созданную ими архитектуру в качестве стандарта.
Сейчас трудно сказать, почему, градуируя свой термометр, Фаренгейт использовал измерение температуры в трех точках. Решение несколько странное – третья точка оказывается лишней; скорее всего, она была контрольной (вроде четвертой ножки у табурета, устойчивости не добавляющей, если ее длину как следует не подогнать к длине других ножек).
За начало отсчета Фаренгейт принял температуру, как он считал, близкую к температуре замерзания ртути. При этом ртутный шарик «съеживался» и стеклянная трубка, выходящая из нижнего баллончика, оставалась пустой. Вторая точка отсчета на шкале Фаренгейта соответствовала температуре замерзания воды. Фаренгейт определил ее в 32 градуса (градусы Фаренгейта по величине отличаются от привычных нам, и потому обозначаются °F). Наконец, за 100 °F была принята температура тела человека. Как оказалось, Фаренгейт просчитался дважды. Температуру замерзания ртути он завысил почти вдвое, а нормальной температурой человеческого тела почему-то посчитал температуру сильно больного человека. В результате двух этих ошибок получилась довольно странная шкала, где температура кипения воды составляла 212 °F, а температура при которой воспламеняется и горит бумага, – 451 °F. Благодаря замечательному роману американского писателя Р. Брэдбери эта цифра стала знаменитой на весь мир. А шкала Фаренгейта как бы обрела вторую молодость. Потому что к тому моменту, когда роман Р. Брэдбери был опубликован (в 1953 году), почти все страны мира, за исключением Великобритании и США, перестали пользоваться этой не очень удобной, хотя и первой по времени изобретения температурной шкалой. Более того, благодаря роману, в котором герой по долгу службы сжигает книги, слово «Фаренгейт» стало в некотором смысле синонимом пламени. Модные мужские духи от фирмы «Кристиан Диор», названные «Фаренгейт», заключены во флакончик огненно-красного цвета.
Другую шкалу измерения температуры предложил в 1730 году французский ученый Рене Антуан Реомюр (René Antoine de Réaumur; 1683–1757). Он делал опыты со спиртовым термометром, а за две точки отсчета предложил принять точку замерзания и точку кипения воды. Расстояние между этими точками Реомюр разделил на 80 градусов. Почему? Да потому, что при изменении температуры в этих пределах спиртовая смесь, использовавшаяся Реомюром в термометре, расширялась на 8 процентов. Революционное правительство Франции утвердило использование шкалы Реомюра в своей стране. Постепенно эта температурная шкала распространилась и в других странах Европы. В России для метеорологических измерений ее применяли вплоть до 1869 года, но в обыденной жизни термометры Реомюра сохранялись едва ли не до революции. По крайней мере, сказка писателя В. М. Гаршина, написанная в 1882 году, начинается так: «В один прекрасный июньский день, – а прекрасный он был потому, что было двадцать восемь градусов по Реомюру, – в один прекрасный июньский день было везде жарко». Действительно жарко, ведь 28 градусов по Реомюру – это 35 привычных нам градусов Цельсия. Скорее всего, и в известной жалостной дореволюционной песне «Раскинулось море широко» температура тоже указана по шкале Реомюра:
Нет ветра сегодня, нет мочи стоять.Согрелась вода. Душно, жарко.Термометр поднялся аж на сорок пять,Без воздуха вся кочегарка!
Корабль в песне идет по Красному морю. Здесь сорокаградусная жара – не редкость. Так что в кочегарке у котлов было гораздо жарче: 45 градусов по Реомюру – это 56 градусов Цельсия!
Температурная шкала, которую мы считаем привычной, предложена в 1742 году шведским ученым Андерсом Цельсием (Anders Celsius; 1701–1744). Промежуток между точкой плавления льда и точкой кипения воды он разделил на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды была обозначена как 0 °C, а температура таяния льда как 100 °C. Но считать увеличение температуры в сторону охлаждения оказалось не совсем привычно, и довольно скоро ученые приняли решение поменять значения опорных температур местами.
Температурная шкала Цельсия была простой и удобной, благодаря чему быстро завоевала неанглоязычный мир; в англоязычных странах по-прежнему измеряли температуру градусами Фаренгейта. Правда, и в шкале Цельсия было определенное неудобство. Нулевую точку шведский ученый выбрал достаточно произвольно. При измерении низких температур приходилось к числу градусов добавлять минус. Или попросту говорить «столько-то градусов мороза». В некотором смысле, более прав был Фаренгейт, выбирая началом для своей шкалы температуру замерзания ртути: 39 градусов ниже точки замерзания воды. Такие температуры казались европейскому ученому просто нигде в мире не существующими. Абсолютным нулем!
Как оказалось, абсолютный нуль существует, но при более низких температурах. Это открытие принадлежит гениальному английскому физику Уильяму (Вильяму) Томсону, лорду Кельвину (William Thomson, lord Kelvin; 1824–1907). Его отец, Джеймс Томсон (1776–1849), был известным математиком. Сам же Уильям в 22 года занял кафедру теоретической физики в университете в Глазго. Он был талантливым математиком и разносторонним физиком, занимаясь самыми разными вопросами термодинамики и электричества, и даже геологии. Среди прочего, он участвовал в одном из крупных научно-технических проектов середины XIX века – прокладке трансатлантического кабеля. Дело в том, что по уже проложенному кабелю телеграфные сообщения проходили с сильными искажениями, причиной которых была большая длина провода. Томсон решил задачу передачи импульсов вдоль длинного проводника. В результате стала возможной трансатлантическая телеграфия.