Закон сохранения энергии кто открыл

Как был открыт закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии был открыт не физиком, а врачом.

В 1840 году на острове Ява судовой врач немец Роберт Майер вскрыл больному вену и. к своему ужасу обнаружил, что потекла не темная кровь, а алая! Неужели он вместо вены попал в артерию?! Испуг врача объяснялся тем, что алая кровь течет по артериям от сердца — это кровь, наполненная кислородом. А обратно, к сердцу кровь течет по венам. В венозной крови остается мало кислорода, поэтому цвет у нее темно-красный. Кровотечение же из артерии смертельно опасно.

Однако местные врачи успокоили Майера: они объяснили, что здесь, в тропиках, венозная кровь у людей такая же алая, как и артериальная.

«Почему же так происходит? — задумывается Майер. — Может, дело в том, что температура воздуха здесь почти равна температуре человеческого тела. Организму не нужно расходовать силу (в то время энергию еще называли силой!) на поддержание температуры тела, поэтому кислород остается в крови — ведь силу дает именно сгорание кислорода. Но это значит, что сила сохраняется: она только превращается из одного вида в другой, но никогда не исчезает и не появляется из ничего».

Развивая свою идею, Майер изучил все известные ему превращения энергии — кинетической в потенциальную и обратно, механической энергии во внутреннюю и внутренней энергии в механическую, рассмотрел электрическую и химическую энергии.

Независимо от Майера, но несколькими годами позже закон сохранения энергии был открыт английским физиком Джеймсом Джоулем и немецким естествоиспытателем Германом Гельмгольцем.

Все эти ученые были очень молоды, когда они совершили свое великое открытие: Майеру было 28 лет, Джоулю — 25, а Гельмгольцу — 26.

Задолго до открытий Майера, Джоуля и Гельмгольца очень близко к открытию закона сохранения энергии подошел выдающийся российский ученый Михаил Васильевич Ломоносов. Но, к сожалению, труды Ломоносова долгое время оставались неизвестными для европейских ученых.

Идея о взаимопревращении механической и внутренней энергии была высказана, также до открытий Майера, Джоуля и Гельмгольца, физиком и инженером Томпсоном, получившим известность как граф Румфорд.

Закон сохранения энергии

Самый общий физический закон используется при решении совершенно практических задач.

Задача 1

Некое тело подбросили вверх вертикально с начальной скоростью 15 м/с. На какую высоту оно поднимется? Сопротивление воздуха при решении задачи не учитывать.

Решение: полученная при броске кинетическая энергия будет постепенно преобразовываться в потенциальную энергию:

То есть: mgh=(m*V 2 )/2

m – масса тела;
V – начальная скорость;
g – ускорение свободного падения;
h – высота подъема.

После преобразований получаем формулу для высоты подъема:

h= V 2 /(2*g)=225/(2*9,8)=11,47 м.

Ответ: тело поднимется на высоту 11,47 м.

Задача 2

Пружину растянули на 15 см. Известно, что она получила потенциальную энергию 24 Дж. Какова жесткость пружины?

Решение: формула потенциальной энергии упруго деформированного тела:

k – коэффициент жесткости;
x – величина деформации.

Преобразуем формулу для расчета:

Ответ: жесткость пружины равна 2133,33 Н/м.

— Таких примеров множество. Пример с молотком и гвоздем хорошо иллюстрирует переход механической энергии от молотка к гвоздю. Закон сохранения энергии здесь в том, что сколько молоток при ударе энергии отдал, столько же энергии гвоздь и получил. Ни больше ни меньше.

Другой пример. Кубики льда, взятые при температуре 0º С и опущенные в бокал с газированной водой, растаят, если им сообщить столько же Джоулей тепла, сколько забрали тепла у воды, взятой при температуре 0º С, когда ее замораживали, чтобы она перешла в твердое агрегатное состояние – лед. А если газированная вода будет недостаточно теплой, то лед не растает. Однако если этот бокал оставить на столе надолго, лед все равно растает, так как он получит необходимое количество тепла из окружающего воздуха.

Еще пример. Когда болит горло, есть хороший бабушкин рецепт. Надо пить теплое молоко. Молоко прогревает горло, отдает тепло, что помогает лечению. Молоко при этом остывает в горле и не греет желудок, что тоже важно.

Во всех этих примерах можно наблюдать большие потери тепла на нагрев окружающих тел. Но основная часть энергии идет на полезное действие. Сколько энергии отдает одно тело, столько же получает и другое, минус потери тепла на нагрев окружающих тел.

Если исключить потери тепла, можно добиться очень высокой эффективности процесса. Это возможно в системах, где энергия не выходит наружу и не рассеивается, поэтому ее потери минимальные. Примером такой системы может служить термос. Горячая вода в термосе долго не остывает, потому что потери тепла минимальные.

История формулировки закона сохранения энергии

Начало установления количественной связи между работой и теплотой связано с именем молодого французского ученого Сади Карно (1796–1832). Карно – инженер по роду деятельности, физик по складу мышления – племянник замечательного ученого и государственного деятеля периода Великой французской революции Лазара Карно (1753–1823).

В 1814 г. Сади Карно окончил Политехническую школу в Париже, затем поступил в инженерные войска. В 1827 г. он был произведен в капитаны и вскоре вышел в отставку. О его научной деятельности, которую он совмещал с военной службой, известно очень мало. Зато вечную мировую славу завоевала опубликованная в 1824 г. его единственная небольшая книжка «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

В течение 10 лет никто не обращал внимания на эту брошюру, пока ее не «открыл» Клапейрон. Автора уже не было в живых

Интересные записки опубликовал брат Карно после его смерти. В них был, по существу, сформулирован в частной форме закон сохранения энергии. Карно писал в «Размышлениях»: «Тепло – это не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тела. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: при исчезновении теплоты всегда возникает движущая сила».

Таким образом, можно высказать общее предположение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызывает то один род движений, то другой, но никогда не исчезает.

Если «движущую силу» заменить словом «энергия», то перед нами – четкая формулировка закона сохранения энергии. В записках Карно сказано следующее: «По некоторым представлениям, которые у меня сложились относительно теории тепла, создание единицы движущей силы требует затраты 2,7 единицы тепла».

К сожалению, Карно не привел рассуждений, которые привели его к такому результату. Если единицей работы считать кг•м, а единицей теплоты – калорию, то эта оценка близка к полученной далее экспериментаторами.

Но для утверждения связи между работой и теплотой необходим был количественный эксперимент. Нужно было показать, что при затрате единицы работы получается всегда одно и тоже количество теплоты. Это продемонстрировал английский физик Д.П.Джоуль (1818–1889) в своих классических экспериментах, проведенных в 1850 г.

Джоуль родился в Сальфорде близ Манчестера. С ранних лет он проявлял необычайную любознательность и стремление раскрыть тайны природы путем постановки искусного эксперимента. Будучи владельцем большого винного завода (в ученых кругах его называли «пивоваром из Сальфорда»), он завел у себя хорошо оборудованную домашнюю лабораторию, в которой в течение многих лет проводил систематические исследования, направленные на всестороннее обоснование закона сохранения энергии. Его имя увековечено в названии основной единицы энергии.

Схема установки Д.Джоуля

Идейную основу этих довольно сложных в исполнении опытов легко усмотреть из схемы, изображенной на риcунке. Падающие с определенной высоты грузы приводили во вращение вертушку, помещенную в калориметр. Конструкция последнего была такова, что жидкость не могла вращаться всей своей массой, вертушка испытывала сильное сопротивление вращению, и жидкость нагревалась. Зная массу и теплоемкость калориметра, можно по повышению его температуры определить количество выделившейся теплоты: Q = cm D t. Совершенная при этом работа равна потенциальной энергии падающих грузов: А = mgh. Результатом этих опытов, которые затем многократно повторялись в других вариантах, стало знаменитое равенство:

Это так называемый термический эквивалент работы.

Вместо термического эквивалента работы можно говорить о механическом эквиваленте теплоты и результат опытов Джоуля выражать равенством

Заметим, что теплота – специфическая форма движения материи, подчиненная статистическим закономерностям. Энергия теплового движения качественно отлична от механической энергии, что проявляется при превращениях. Механическая энергия целиком переходит в тепловую, равенство 1Дж=0,24кал – результат эксперимента. Но обратный переход – необратимый процесс, – он протекает с потерями, рассеянием энергии, поэтому источник, который отдает количество теплоты, равное 1 кал, производит работу, меньшую 4,18 Дж. Разница переходит во внутреннюю энергию, так что соблюдается закон сохранения энергии

Установление всеобщего закона сохранения энергии и введение интернациональной системы единиц СИ привело к исключению понятия механического эквивалента теплоты. Измерение количества теплоты можно производить в Дж, так что в особой единице для тепловых измерений нет нужды.

3. Осознание общности закона

Начало XIX в. замечательно открытием множества явлений, демонстрировавших превращение сил природы. Первую роль здесь сыграл электрический ток с его химическими, тепловыми, магнитными и электродинамическими действиями. Отсюда умонастроение ученых, которое Фарадей выразил в следующем откровении: «Я давно придерживался мнения, ставшего почти убеждением, что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение или, иными словами, так непосредственно связаны или взаимосвязаны, что они могут превращаться друг в друга и обладают в своих действиях эквивалентами сил».

Убеждение в единстве и взаимной превращаемости сил природы играет роль компаса, ведущего Фарадея в глубь неизведанного. По существу, Фарадей владеет законом сохранения энергии и использует его в качестве инструмента научного исследования.

Вот еще один пример. В «Экспериментальных исследованиях по электричеству» он пишет: «Контактная теория (речь идет о контактной теории гальванической эдс. – В.Д.) принимает, что сила, способная преодолеть мощные сопротивления, может возникнуть из ничего. Это было бы сотворением силы, что нигде не имеет места без соответствующего исчерпания того, что питает ее. Если бы контактная теория была верна, то следовало бы отрицать равенство причины и действия. Но тогда был бы возможен и perpetuum mobile».

Но наибольшего обобщения достиг немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814–1878) – ученый с необыкновенными интуицией и воображением. Будучи судовым врачом, он провел физиологические наблюдения изменений цвета крови у матросов, перешедших из умеренного в тропический пояс. Майер пришел к выводу, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови – артериальной и венозной. Эта разница является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме» (подчеркнуто мною. – В.Д.).

Из области медицинских наблюдений Майер переходит к анализу физико-химических процессов и опирается при этом на закон сохранения сил. Свои размышления он оформил в виде статьи «О количественном и качественном определении сил» и послал в журнал. Редактор – известный физик К.Поггендорф – бросил статью неизвестного врача в корзину. Майер был вынужден печатать свои работы в журнале «Анналы химии и фармации», так что они стали известны физикам только после смерти автора.

Майер утверждал, что «движение, теплота, и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к единой силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам». Он ставит принципиальной важности задачи на закон сохранения энергии, например: «Как высоко должен быть поднят определенный груз над поверхностью земли, чтобы его сила падения была эквивалентна нагреванию равного ему по весу количеству воды от 0 до 1 °?»

Майер вычисляет из опытов над «сжатием воздуха», что одна калория эквивалентна поднятию одного килограмма на 0,365 м. При этом он использует уравнение состояния идеальных газов и вычисляет разность теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме. Поэтому равенство с_p – с_v = R, где R – универсальная газовая постоянная, носит его имя.

vСвои выводы о сохранении сил природы при превращениях Майер переносит на органическую природу. В частности, он развивает мысль о значении процесса ассимиляции в растениях для поддержания жизнедеятельности организмов. Внушительны его аргументы в опровержение распространенной тогда в науке теории о существовании особой жизненной силы.

В сочинении «Динамика неба» законы сохранения переносятся на космические явления. Вот отрывок из этой книги: «Часто и удачно Солнце сравнивают с непрерывно звучащим колоколом. Но что же поддерживает звучание этого небесного тела, столь величественно и чудесно наполняющего небесные пространства своими лучами, что поддерживает его в вечно неослабевающей силе и юности? Что предохраняет его от полного истощения, от наступления равновесия, дабы ночь и смертельный холод не заполнили пространства нашей планетной системы? Всеобщий закон природы, не допускающий никаких исключений, гласит, что для образования тепла необходима известная затрата. Эту затрату, как бы разнообразна она ни была, всегда можно свести к двум главным категориям, а именно, она сводится либо к химическому материалу, либо к механической работе».

Статья подготовлена при поддержке кредитного потребительского кооператива «ДаНаЯ». Если Вы решили получить кредит для своих нужд, то оптимальным решением станет обратиться в кооператив «ДаНаЯ». Перейдя по ссылке: «помощь в получении кредита», вы сможете, не отходя от экрана монитора, узнать более подробную информацию о получении кредита и действующих акциях. В кооперативе «ДаНаЯ» работают только высококвалифицированные специалисты с огромным опытом работы с клиентами в сфере кредитования населения.

Рядом с Майером стоит имя Джоуля. С такой же целеустремленностью он шел к всестороннему экспериментальному обоснованию общности закона сохранения энергии. Выше говорилось о его классическом опыте по определению термического эквивалента работы. Но его первое исследование было посвящено превращению электричества в теплоту. В работе 1841 г. «О теплоте, выделяемой металлическими проводниками электричества и элементами батарей при электролизе» он приходит к известному закону: Q=I 2 Rt.

Далее Джоуль перешел к другому виду превращения энергии. В работе «Об электрическом происхождении теплоты горения» он показал, что количество теплоты, выделяемой током в цепи, тождественно теплоте, которая может быть получена непосредственным окислением составляющих цепь металлов, включая водород. Отсюда ученый заключил, что теплота, выделяющаяся во внешней цепи гальванического элемента, является результатом превращения теплоты химических реакций.

Экспериментами, где электрический ток одновременно выделяет теплоту и производит механическую работу, Джоуль доказывает, что энергия сохраняется и при сложных превращениях.

vВ серии работ 1843 г. «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механической величине тепла» Джоуль открывает, что теплота, выделяющаяся в нагрузке магнито-электрического генератора имеет своим источником механическую работу. Он заставляет вращаться катушку между полюсами сильного магнита с помощью падающих грузов. Катушка была помещена в стеклянную трубку с водой, последняя выполняла роль калориметра. Возбуждаемый в катушке индукционный ток приводил к выделению теплоты и повышению температуры воды. Зная массу грузов и высоту падения, можно было определить затраченную энергию, а по величине массы воды и повышению ее температуры – полученное количество теплоты, отсюда получалось соотношение между джоулем и калорией – термический эквивалент работы: 1Дж=0,24 кал.

Далее Джоуль изучает непосредственное превращение механической работы в теплоту. Продавливая воду через узкие трубки, он сравнивает произведенную работу и выделившееся количество теплоты. Затем он сжимает воздух и измеряет затраченную при этом работу и полученное повышение его температуры. И во всех случаях он обнаруживает пропорциональность выделившегося количества теплоты произведенной работе.

4. Первая точная формулировка закона. Переход к понятию энергии

Хотя факт сохранения сил природы их многообразных превращений был установлен целым рядом независимых экспериментов, он не имел точного выражения, поэтому оставался неким утверждением философского толка, а физики середины XIX в. скептически относились к таким утверждениям, тем более что публиковались они не профессионалами.

Необходимо было сформулировать закон в точных понятиях и дать ему математическое выражение. Это сделал Герман Гельмгольц (1821–1894).

Гельмгольц родился в Потсдаме, в семье учителя гимназии. Мать его происходила из семьи английских эмигрантов. Стесненный семейный бюджет не позволил талантливому юноше поступить в университет, пришлось выбрать карьеру врача. В казармах Постдама Гельмгольц начал физиологические исследования, одновременно изучая труды классиков физики.

Он быстро вышел на путь самостоятельного творчества и обобщений. Молодой военный врач публикует в 1847 г. книгу «О сохранении силы», которая сразу сделала его известным физиком. Однако это мало повлияло на его карьеру.

По рекомендации Гумбольта Гельмгольц получил место ассистента в анатомо-физиологическом музее Берлина, но его успехи в науке столь впечатляющи, что его через год приглашает Кеннингсбергский университет на должность профессора анатомии и физиологии.

Постепенно растет удельный вес физической тематики в его исследованиях, и Гельмгольц становится главой немецкой физической школы. Он поразительно разносторонен: наряду с работами по обоснованию закона сохранения энергии, исследования по термодинамике, по электродинамике химических процессов, по механике вихревых движений в жидкостях, оптические, физические и физиологические исследования, основополагающие труды по физиологии слуха и зрения. Он первый измерил теплообразование в мышцах, скорость распространения нервных импульсов. Вместе с тем Гельмгольц был блестящим популяризатором науки.

В поисках математической формулировки закона сохранения сил природы Гельмгольц опирался на последовательно механическую концепцию: материя представляет собой совокупность материальных точек, между которыми действуют центральные силы. Целью физической науки, согласно Гельмгольцу, является сведение явлений природы к движению и взаимодействию материальных точек, притягивающихся или отталкивающихся силами, зависящими от расстояния между ними.

Если исходить из такой модели материи, то все виды сил (энергии) можно свести к двум: живым силам движущихся материальных точек (энергии движения) и силам напряжения (энергии положения). Тогда закон сохранения сил (энергии) можно сформулировать так: «Когда тела природы действуют друг на друга с силами притяжения или отталкивания, не зависящими от времени и скорости, то сумма их живых сил и сил напряжения остается постоянной. Максимум работы, которую можно получить, является, таким образом, определенным, конечным».

М.Планк в своей книге «Принцип сохранения энергии» следующим образом поясняет идею Гельмгольца: «Преобразование принципа живой силы, принятое Гельмгольцем для того, чтобы превратить его в принцип сохранения силы, заключается в том, что в уравнение, выражающее соотношение живой силы L и работы А, произведенной действующими силами L + А = const, он вводит вместо понятия работы А понятие количества сил напряжения U, равное и противоположное по знаку величине работы А. Сила напряжения, так же как и работа, зависит только от мгновенного состояния системы, и вышеуказанное уравнение можно сформулировать следующим образом: сумма количества живой силы и силы напряжения остается неизменной во времени: L + А = const. Если мы эту сумму коротко обозначим как силу, заключенную в системе, то тем самым мы получим закон сохранения силы.

Как ни незначительным кажется, на первый взгляд, это преобразование, перспектива, которую он открывает во всех областях физики, чрезвычайно велика, ибо возможность его обобщения для любых явлений природы легко бросается в глаза. Главное основание для такого обобщения заключается в том, что принцип сохранения силы выступает параллельно с давно уже известным и, так сказать, перешедшим в инстинкт, принципом сохранения материи. Так же, как количество содержащейся в системе тел и измеряемой их весом материи не может быть никакими средствами уменьшено или увеличено, какие бы различные физические и химические превращения не происходили в системе, так и количество содержащейся в системе силы представляет собой самостоятельную, совершенно неизменную величину. Сила, так же как и материя, может быть представлена в многообразных формах, но прежде всего она проявляется в двух основных формах: как живая сила и как сила напряжения. Обе эти формы могут выступать различнейшим образом: живая сила – как видимое движение, как свет, теплота; сила напряжения – как поднятие тяжести, как упругое напряжение, как электрическое напряжение».

Особый интерес в этом пояснении представляет указание Планка на аналогию законов сохранения материи и энергии.

Сформулировав закон, Гельмгольц далее рассматривает его действенность во всех разделах физики. Один из примеров применения закона сохранения энергии, который он рассматривает в своем мемуаре «О сохранении силы», вошел в учебники физики: это вывод закона электромагнитной индукции, опирающийся на закон сохранения энергии.

Кроме Майера, Джоуля и Гельмгольца обоснованием закона сохранения силы и измерениями механического эквивалента теплоты занимался целый ряд других исследователей. Тем не менее вся эта гигантская волна интеллектуальных усилий не привлекала внимания маститых физиков. Резкий перелом произошел в начале второй половины XIX в., и он совпал со временем введения в лексикон физики понятия энергии.

Интерес к закону прогрессивно возрастал, естественно, стали задумываться над двойным использованием фундаментального понятия силы. Физики, конечно, не путали лейбницевскую «живую силу» с ньютоновской, но неудобство такого раздвоения понятия было очевидно. И тогда вспомнили, что еще в 1807 г. в «Лекциях по естественной философии» Т.Юнг вместо понятия «живой силы» пользовался понятием энергии. Последнее было единодушно принято ведущими физиками мира. В 1852 г. в работе «Динамическая теория тепла» В.Томсон дал первое определение энергии: «Под энергией материальной системы в определенном состоянии мы понимаем измеренную в механических единицах работы сумму всех действий, которые производятся вне системы, когда она переходит из этого состояния любым способом в произвольно выбранное нулевое состояние».

Несколько позже Максвелл дал простое и точное определение энергии как способности системы совершать работу, подчеркнув неразрывность связи понятий энергии и работы. Анализ этой связи привел в итоге к современному пониманию работы как процесса, приводящего к созданию источника энергии.

В 1883 г. Гельмгольц ввел в физику понятия свободной и связанной энергий. В своей классической работе «Термодинамика химических процессов» он писал: «Подобно тому, как теплота может превращаться в работу частично, так же в случае химических процессов должно быть принято разделение между частью сил химического сродства, способных к превращению в другие формы и той частью, которая может превращаться только в теплоту. Я позволю себе обозначить обе эти части энергии, как свободную и связанную энергии».

Г.Гесс (1802–1850) на основании многочисленных опытных исследований пришел к важному следствию закона сохранения энергии: тепловой эффект химических реакций не зависит от их промежуточных стадий, а определяется только начальным и конечным состояниями реагирующей системы.

Независимость процессов преобразования энергии от их промежуточных ступеней явилась одним из выражений общей характерной особенности закона сохранения, его своеобразного удобства: при научных исследованиях отпадала необходимость анализа стадий превращений энергии, их механизмов, качества материальных объектов, участвующих в этих превращениях.

Так постепенно начало складываться представление об энергии как общей количественной мере движения и взаимодействия всех видов материи. В изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но общее ее количество остается неизменным.

Правда [1949]: Закон Ломоносова ⁠ ⁠

Сегодня в нашей рубрике «Лучше один раз прочесть» предлагаем вниманию читателей статью газеты «Правда» из №5 от 05 января 1949 г., в которой рассказывается об истории закона сохранения энергии и его формах, нашедших свое применение в тех или иных естественных науках, а также о силе материалистической диалектики и ее противостоянии идеализму.

«В эти дни, когда Академия наук СССР проводит в Ленинграде сессию, посвященную истории отечественной науки, нельзя не вспомнить о знаменательном событии, которое произошло двести лет назад в Петербурге, на Васильевском острове. Молодой, тридцатисемилетний русский академик М.В. Ломоносов в пространном письме математику и физику Л. Эйлеру, тоже члену Петербургской академии, написал следующие замечательные строки: «Все перемены в Натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тело отнимается, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; сколько часов положит кто на бдение, столько же сну отнимет. Сей всеобщей естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

К этому выводу, чрезвычайно общему по своей широте и значению, Ломоносов пришел в начале своей научной деятельности. Его же он повторил почти дословно в 1760 году в «Рассуждении о твердости и жидкости тел», прочитанном в Академии наук. И не приходится сомневаться, что вывод этот оставался незыблемым для Ломоносова во всей его работе по естествознанию, технике и философии до конца дней.

Значение и особенность начала, провозглашенного Ломоносовым, состояло не только в том, что этим началом утверждались законы сохранения и неуничтожаемости материи, движения и силы в отдельности. Некоторые из этих истин издавна, еще в древности, угадывались передовыми умами. О сохранении материи и движения учили древние атомисты Демокрит и Эпикур, об этом писал Лукреций в своей поэме «0 природе вещей». В более узкой, математической форме, отвечающей механическим движениям, законы сохранения анализировались в XVII веке Декартом, Ньютоном и Лейбницем.

В отличие от своих предшественников Ломоносов говорит о любых «переменах в Натуре случающихся», об их общем сохранении, и только в качестве примеров он перечисляет отдельно взятые сохранение материи, сохранение времени, сохранение силы. Можно предполагать, что перед умственным взором Ломоносова, когда он наносил’ на бумагу приведенные строки, вырисовывалось несравнимо более широкое и глубокое понятие материи, чем тот ограниченный, специализированный образ, характеризуемый только массой и «непроницаемостью», который имели в виду физики XVIII века, говоря о материи. Об этой «материи», как о частном примере своего общего начала, упоминает и Ломоносов. Другая материя в общем смысле, охватывающая «все перемены в Натуре случающиеся» и сохраняющаяся в целом, о которой думал Ломоносов, близка к пониманию материи в ленинском диалектико-материалистическом, философском значении. По определению Ленина, «материя есть философская категория для обозначения об’ективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них». Начало сохранения, выдвинутое Ломоносовым, простирается именно на материю в этом смысле. Это начало есть закон всеобщий, об’емлющий всю об’ективную реальность с пространством, временем, веществом и прочими ее свойствами и проявлениями.

Ломоносов на века вперед как бы взял в общие скобки все виды сохранения свойств материи. Глубочайшее содержание великого начала природы, усмотренного Ломоносовым, раскрывалось постепенно и продолжает раскрываться в прогрессивном историческом процессе развития науки о природе.

Сам Ломоносов в 1756 году на опыте показал конкретную сущность и огромное практическое значение закона сохранения вещества в химии. Два века назад, в конце 1748 года, Академией наук, по предложению и по планам Ломоносова, была построена первая химическая лаборатория. Проведенными в ней количественными весовыми измерениями Ломоносов показал, что вопреки мнению знаменитого Бейля вес запаянной химической реторты, в которой происходило окисление свинца при нагревании, остается после реакции неизменным, то есть масса не меняется. Так впервые в истории химии был доказан факт сохранения массы при химических превращениях, ставший в ХIX веке основным законом химии и приписывавшийся обычно французскому химику А. Лавуазье. Сам Лавуазье никогда не претендовал на открытие этого закона. Честь его открытия принадлежит М. В. Ломоносову.

Следующим важнейшим этапом в раскрытии смысла общего начала сохранения материи была полная конкретизация закона сохранения энергии в середине XIX века, связанная в особенности с именами Р. Майера и Г. Гельмгольца. Значительный вклад в подкрепление нового принципа внесли исследования русского академика Э. Ленца. Его «правила» электромагнитной индукции и закон нагревания при прохождении электрического тока особо ярко воплотили понятие о сохранении энергии в ее превращениях.

Законы сохранения массы и энергии, удерживая свою универсальную роль в прогрессе науки о природе, одновременно приобретали все большее и большее значение в разнообразных областях техники, особенно в теплотехнике, строительной технике, электротехнике, химической технологии. В этих разделах техники закон сохранения энергии сделался основой расчетов и проектирования. Он дал опору и тому громадному крылу народного хозяйства, которое теперь называется энергетикой.

Каждый новый важный шаг в развитии физики, химии и любой другой отрасли естествознания неукоснительно сопровождался новыми победами закона сохранения энергии. Начиная с 1896 года была открыта радиоактивность урана, радия и других элементов, отдававших свою, на первый взгляд, неисчерпаемую энергию в виде лучей альфа, бета и гамма. Сначала казалось, что энергия создается из ничего, что найден случай резкого нарушения закона сохранения энергии. Но за этой временной угрозой закону незамедлительно последовала его победа. Энергия, излучаемая радиоактивными элементами, оказалась небольшой частью реальных огромных запасов энергии, сосредоточенных в их атомных ядрах. При подходящих условиях эта энергия принципиально должна превращаться, как и всякая другая, в тепло, в свет, в энергию электрического тока.

В эпоху открытия радиоактивности физика подошла к совершенно новой ступени в раскрытии общего начала сохранения материи. В отдельных областях физики при сличении электронных явлений и световых процессов стали обнаруживаться факты, настойчиво указывающие на существование коренной, неразделимой связи между массой и энергией. Два закона сохранения переставали быть раздельными, не имеющими ничего общего. Предвидение Ломоносова о некотором более общем начале сохранения стало осуществляться. С особой простотой и ясностью необходимость связи вежду массой и энергией обнаружилась в факте светового давления, открытого и измеренного профессором Московского университета П. Н. Лебедевым.

Свет, падая на встречные тела,— твердые, жидкие, газообразные,—давит на них. П. Н. Лебедев на опыте доказал, что величина этого давления на совершенно черную поверхность, полностью поглощающую давящий свет, равна энергии света, поглощаемой в секунду и разделенной на скорость света. С другой стороны, из механики хорошо известно, что всякое давление равно произведению массы давящего тела на изменение его скорости в процессе давления. Иными словами, самый факт давления света обязывает нас видеть в свете, т. е. в «лучистой энергии», наличие некоторой массы точно так же, как мы знаем наличие в ней скорости. Притом это столь же неизбежно, как неизбежно наличие массы и скорости у пули, ударяющейся о препятствие.

Свет, как указывалось, полностью поглощается черной пластинкой, следовательно, скорость его становится равной пулю, иными словами, изменяется на ее полное значение. На этом основании мы обязаны составить равенство:

Энергия света, подводимая в секунду/Скорость света = Масса света*Скорость света

Отсюда следует частный случай знаменитого равенства, получившего огромное значение в современной науке:

Энергия света = Масса света*Скорость света в квадрате.

Из опытов П. Н. Лебедева вытекала вполне определенная и удивительная связь между энергией света и его массой. Но свет — только частный вид энергии. Может быть, эта формула имеет только специальное, частное значение, тем более, что в ней фигурирует скорость света?

Потребовалась непривычная абстракция теории относительности Эйнштейна, чтобы от частного вывода перейти к общему принципу эквивалентности массы и энергии в любом случае. Количественное выражение этого принципа то же самое, как и для случая световой энергии, но масса теперь означает массу, отвечающую любой форме энергии, — механической, тепловой, электрической и т. д.

Значение открытия эквивалентности массы и энергии необычайно велико. Масса, которая еще недавно в учении о природе характеризовалась единственным свойством энергии, косности, стала внезапно для нас эквивалентом совершенно противоположного, максимально активного свойства — энергии.

Когда-то, вероятно много десятков тысячелетий назад, люди сделали великое открытие: в инертных обрубках деревьев, в камнеобразных кусках угля они обнаружили скрытую энергию, проявляющуюся при горении. Так люди получили искусственное тепло, искусственный свет. Так в конце концов они дошли до использования «движущей силы огня», т. е. механической энергии, скрывавшейся в «инертном» дереве и угле. Но открытие наших отдаленных предков приподняло только ничтожно малый уголок занавеса — инертной массы, скрывавшей от людей необ’ятные запасы энергии, сосредоточенные в природе.

Принцип эквивалентности массы и энергии указывает точное количественное значение энергии, отвечающей данной массе. Для вычисления этого количества следует только помножить массу тела на квадрат скорости света. Таким образом найдем, например, что в теле, весящем 1 килограмм, сосредоточена энергия, которую можно было бы получить, сжигая примерно 3 миллиона тонн угля.

Для освобождения химической энергии, скрытой в дереве и угле, людям в свое время потребовалось научиться зажигать дерево и уголь, т. е. вызывать в них химическую реакцию, поддерживающую и ускоряющую себя самое. Для использования более основательно и глубоко запрятанной энергии атомных ядер также надо научиться их «зажигать». Первые шаги в этом направлении с атомами урана и теория, как известно, сделаны. Новое открытие было использовано в капиталистическом мире для создания атомных бомб, которыми сейчас американский капитал старается запугать и терроризировать весь мир. Но можно быть уверенным, что новые необ’ятные запасы энергии, открытые гением человека, пойдут в свое время на благо освобожденных людей.

Предвидение Ломоносова о существовании общего начала сохранения материи в широком смысле выполнялось не только в замечательном слиянии законов сохранения массы и энергии. Все с большей отчетливостью выясняется еще один закон сохранения, имеющий фундаментальное значение в современной физике,—это закон сохранения электрического заряда. При любых превращениях вещества алгебраическая сумма элементарных электрических зарядов остается постоянной. При достаточно высокой частоте световых колебаний из фотона (светового кванта) вблизи атомного ядра могут образоваться сразу два электрона — один положительный, другой отрицательный. Сумма их зарядов равна нулю. Этот замечательный процесс превращения света в вещество широко и всесторонне изучен советскими физиками Алихановыми, Грошевым и Франком. Существует и обратный процесс: отрицательный и положительный электроны, встретившись, исчезают вместе со своими зарядами, превращаясь в незаряженные фотоны (снова алгебраическая сумма зарядов равна нулю).

Закон сохранения электрического заряда, как и вообще все учение об электрическом заряде вещества, стоит в физике до сих пор еще особняком. Но, несомненно, можно предвидеть органическое присоединение и его к общему учению о веществе и к общему началу сохранения материи.

Этапы раскрытия широчайшего начала, замеченного Ломоносовым, несомненно, еще не исчерпаны, и дальнейшая история науки встретится с новыми частными законами сохранения и с новым, еще более широким синтезом и об’единением.

Начало сохранения материи всегда имела и будет иметь значение не только для естествознания и техники, но и для всего нашего мировоззрения. Это — одна из основных предпосылок философов диалектического материализма. Сохранение, неразрушимость материи, как об’ективной реальности,—одно из необходимых условий ее материальности и ее об’ективности.

Поэтому враги материализма, явные и скрытые представители разных идеалистических направлений и школ, всегда искали и с радостью приветствовали якобы слабые места в законах сохранения, надеясь на опровержение этих законов. В середине XIX в. спиритами и спиритствующими учеными делались попытки прорвать фронт законов сохранения будто бы доказанными на опыте проявлениями «психической энергии», явно нарушающей законы сохранения. Таким людям, как Д. И. Менделеев, приходилось садиться за спиритический стол, чтобы поймать обманщиков с поличным. Выше пришлось уже упоминать о попытках использовать открытие радия для опровержения сохранения энергии. Попытка кончилась новым блестящим торжеством начала сохранения, за которым последовало открытие энергии атомного ядра. Радостный шум в лагере идеалистов поднялся в начале нашего века в связи с открытием эквивалентности массы и энергии и, в частности, по поводу обнаружения зависимости величины массы от скорости ее движения. Эти законы и процессы трактовались как «дематериализация материи». Материя, как основа бытия, казалось, теряла почву. Беспощадный и уничтожающий удар идеалистическим крикунам и невеждам нанес В. И. Ленин. Он дал блестящий анализ диалектического понимания материи и показал, что развитие новой физики идет в полном соответствии с крушением механического метафизического материализма и заменой его материализмом диалектическим.

Новый повод к возрождению идеалистических надежд на крушение начала сохранения дало развитие квантовой механики. В 1924 году Бор, Слэтор и Крамерс высказали предположение, что законы сохранения выполняются в атомах только статистически, нарушаясь в ту и другую сторону в отдельных случаях. Под давлением фактов от этого, впрочем, пришлось отказаться самим авторам. Позднее, в 1936 году, американский физик Шенкланд утверждал, якобы доказав на опыте, что при рассеянии света высокой частоты на электронах происходит нарушение законов сохранения энергии и момента. Эти заключения Шенкланда были опровергнуты, в частности, опытами советских физиков Алихановых.

Сейчас и физик, и химик, и каждый естествоиспытатель при решении самых тонких и сложных вопросов, связанных, например, с распадом атомного ядра и с действием космических лучей, неизменно пользуется законами сохранения, как главным и решающим критерием. Больше, чем когда-либо, начало сохранения материи служит надежнейшим путеводителем при раскрытии тайн природы.

Но, как всегда, враждебная мысль не унимается. Недавно, в 1946 году, известный фашистский физик-теоретик Иордан выступил с новой теорией вселенной, предполагая, в частности, что новые звезды рождаются из ничего, освобождая при своем рождении огромные количества энергии.

Борьба за ломоносовское начало сохранения материи еще не кончилась. От поры до времени его еще приходится защищать от идеалистов и невежд. Но вместе с тем его надо развивать дальше, ибо содержание его неисчерпаемо и непобедимо.

Президент академии наук СССР»

Комментарии редакции:

В статье наглядно на 200 летнем периоде раскрывается процесс развития науки, а вместе с ней и всего человечества. Люди наблюдали окружающий мир и стремились узнать, как он устроен, еще в первобытном обществе. Тогда люди делали только первые шаги, с большим трудом овладевая силами природы, например, огнем. Сегодня человеку подвластны ядерные и субъядерные реакции.

Статья касается бесконечного процесса познания окружающего мира. Снова и снова мы убеждаемся, что явления, наблюдаемые нами, которые ранее не имели научного объяснения, получают его через год, два и даже десятилетия. Все во вселенной имеет свою причину и следствие, не носит случайного характера, не является результатом потустороннего воздействия. Человечеству понадобились тысячелетия, чтобы понять это, что закономерности природы могут быть объяснены только материалистически, только диалектически, а не парой фокуснических фраз.

Наука, т.е. познание сути окружающего мира, двигает человечество вперед по дороге знаний, но устройство общества может оказывать различное влияние на прогресс, на науку. Если начальная стадия капитализма, когда существовала свободная конкуренция, мотивировала науку, подстегивала развитие производительных сил в погоне за прибылью, то капитализм в своей высшей, монополистической стадии — империализма уже не оказывает такого положительного влияния, а скорее наоборот — замедляет прогресс, извращая науку. Сложившееся положение вещей, когда на планете господствует монополистический капитал, финансовая олигархия, а остальные покорно исполняют ее волю, устраивает правящий класс, поэтому дальнейшее развитие человеческого общества, в том числе науки, может стать губительным для капиталистической системы. Поэтому всеми правдами и неправдами производительные силы общества распыляются, новые технологии (холодный ядерный синтез, освоение космоса, клонирование органов) и разработки (лекарство от рака, от СПИДа) прячутся под сукно.

Только общество свободное от эксплуатации, от погони за прибылью, без войн и суеверий способно к осуществлению действительных интересов большинства человечества: доступ к чистой воде, доступ к качественной еде, к доступному и качественному жилью, к электричеству, к работе, к образованию, к достойной жизни для себя и своих детей. Только в таком обществе можно ставить высокодуховные цели, как бесконечное движение к окончательному познанию окружающего мира и созидание нового человека. Таким должно стать коммунистическое общество.