Джеймс Прескотт Джоуль: биография и научная жизнь

Пивоварня — не самый очевидный факультет

Если составить перечень учреждений, откуда удобно начинать переворот в физике, семейная пивоварня попадёт туда не первой. Тем не менее я начал именно рядом с ней. Меня зовут Джеймс Прескотт Джоуль, я родился 24 декабря 1818 года в Солфорде, неподалёку от Манчестера. Отец, Бенджамин, был состоятельным пивоваром, мать звали Элис Прескотт. Семейные средства дали мне возможность много лет заниматься опытами, не спрашивая у каждой новой идеи, согласится ли университет немедленно назначить ей жалованье. Это важная привилегия, а не деталь, которую следует спрятать ради истории о полностью одиноком самоучке.

Здоровье у меня с детства было не особенно крепким; учился я главным образом дома. В подростковые годы занимался у Джона Дальтона. Знакомство с ним стало серьёзной частью образования, хотя превращать уроки в передачу тайного знания от одного великого человека другому было бы излишним. Дальтон учил математике и естественным наукам, показывал дисциплину мышления. Остальное приходилось осваивать самому: читать, пробовать, ошибаться и постепенно учиться отличать эффект, который действительно существует, от эффекта, который очень хотелось увидеть.

В Манчестере наука находилась рядом с промышленностью не в виде красивого лозунга на конференции. Машины, химические процессы, изготовление инструментов и вопросы стоимости работы были частью обычной городской среды. Пивоваренное дело тоже требовало внимания к температуре и процессам, но не нужно задним числом объявлять каждую бочку скрытым термодинамическим экспериментом. Семейное занятие обеспечивало мне средства и практический фон; научную задачу всё равно приходилось формулировать отдельно.

Электрический двигатель встречается с бухгалтерией

В юности меня увлекло электричество. Я знакомился с деятельностью Уильяма Стёрджена, строил устройства, изучал электромагниты и интересовался возможностью заменить паровые машины электрическими двигателями. Вопрос был не только в том, может ли механизм вращаться. Нужно было выяснить, сколько стоит полученная работа и что происходит с затрачиваемыми материалами. Природа допускает эффектную демонстрацию; промышленность затем спрашивает счёт. Это довольно эффективный способ заставить исследователя перейти от восторга к измерению.

Первые исследования постепенно привели меня к теплу, выделяемому электрическим током. В 1840 году я сообщил результаты, ставшие важной частью этой истории. Здесь не будем выводить соответствующую зависимость. Для биографии существенно, что я не начинал с готового учения об энергии и не раздавал окружающим итоговую картину мира. Меня вели вполне конкретные опыты: нагрев, ток, сопротивление, химическое действие источника. Большой вопрос вырос из небольших различий в показаниях приборов.

Публиковаться и добиваться внимания было непросто. У меня не было обычной академической должности и привычного университетского круга, который заранее ручается за молодого коллегу. Но неверно представлять меня совершенно отрезанным от научной жизни. Я посещал собрания, читал журналы, переписывался, состоял в обществах. С 1842 года был связан с Манчестерским литературным и философским обществом. Научный любитель XIX века мог работать чрезвычайно профессионально — слово «любитель» описывало прежде всего источник дохода, а не качество термометра.

Искусство заметить очень мало

Моя работа требовала измерять небольшие изменения температуры. Это звучит скучнее, чем «открыл закон природы», но без первой части вторая не состоится. Значение имели качество приборов, поправки, потери тепла, повторение опыта и осторожность в выводе. Мне помогал выдающийся манчестерский изготовитель инструментов Джон Бенджамин Дансер. В подобных историях мастер часто исчезает за фамилией учёного, хотя точный прибор не появляется на столе по одному лишь повелению исследовательской воли.

Работал я в условиях, которые были далеки от будущей большой университетской лаборатории. Домашнее пространство и помещения, связанные с семейным делом, приходилось приспосабливать к опытам. Это не означало, что измерения автоматически грубы. Напротив, ограниченная обстановка заставляла очень хорошо понимать устройство собственного опыта. Вопрос не в том, насколько внушительно выглядит здание на фотографии, а в том, контролирует ли исследователь то, что действительно влияет на результат.

В 1843 году на собрании Британской ассоциации в Корке я изложил результаты о связи механического действия и тепла. В популярных пересказах город иногда меняют, словно путешествие несущественно; пусть хотя бы билет в этой биографии будет выписан правильно. Приём не был мгновенной победой. Мои числа и выводы требовали проверки, а заявленная точность могла казаться подозрительной. С точки зрения автора это неприятно. С точки зрения науки требование проверить необычный результат само по себе совершенно нормально.

Лопатки в воде и долгое убеждение коллег — Оксфорд, Томсон и семейная жизнь

Лопатки в воде и долгое убеждение коллег

Я искал разные способы сопоставить затраченную работу и полученное тепло. Самый знаменитый связан с перемешиванием жидкости, но он не был единственным. Множество вариантов, повторений и уточнений позднее легко превращается в одну картинку: сосуд, лопатки, грузы. Картинка полезна для учебника, пока не создаёт впечатления, что всё было сделано за один удачный вечер. В действительности уверенность возникала благодаря сопоставлению результатов, а не благодаря фотогеничности установки.

Мне приходилось убеждать людей не только в правильности общего вывода, но и в достоверности очень тонкого измерения. Здесь помогали настойчивость и спокойная работа с возражениями. По характеру я не был великим мастером шумного самопредставления. Позднейшие воспоминания описывали меня как довольно застенчивого человека. Это не мешало твёрдо защищать результат; просто защита могла состоять не из громкой речи, а из очередной серии аккуратно выполненных опытов. Убедительность иногда говорит тихо и приносит таблицу.

Оксфорд, Томсон и семейная жизнь

В 1847 году в Оксфорде мои результаты привлекли особое внимание молодого Уильяма Томсона. Он не просто согласился и ушёл, оставив красивую сцену для биографа. Наши представления поначалу требовали согласования, возникали вопросы, шла переписка. Но Томсон увидел, что перед ним серьёзная экспериментальная работа, и это стало началом долгого сотрудничества. В дальнейшем наши имена часто будут стоять рядом, хотя навыки и университетские траектории оставались разными.

В том же 1847 году я женился на Амелии Граймс. Научная хронология любит измерять этот год вниманием Томсона; личная — началом семейной жизни. Во время свадебного путешествия мы были в Альпах. Позднее вокруг моего интереса к температуре водопадов вырос знаменитый анекдот. Он восходит к воспоминаниям, а не к идеальной стенограмме медового месяца; поэтому превращать его в подробный диалог с женой не станем. Достаточно сказать, что привычку замечать физическую задачу я в отпуске выключал не всегда.

У нас появились дети. Семья и исследовательская работа существовали одновременно, а не по очереди, как это бывает в краткой справке. В 1854 году мы потеряли новорождённого сына; осенью того же года умерла Амелия. Сын Бенджамин Артур и дочь Элис Амелия остались живы. Последнее уточнение нужно не ради педантизма: некоторые популярные рассказы путают семейные потери. Человеческая смерть — плохое место для приблизительного пересказа. После этой утраты я больше не женился.

Признание приходит без университетской кафедры

В 1850 году меня избрали членом Лондонского королевского общества; в 1852-м я получил Королевскую медаль. Научная репутация укреплялась. Эти даты не позволяют продолжать легенду о человеке, которого профессионалы якобы не замечали до самого конца. Первоначальное недоверие было реальным, признание тоже. Исторический сюжет не обязан оставаться в одной эмоциональной тональности только потому, что нам понравилась роль обиженного первооткрывателя.

Университетского профессора из меня при этом не получилось. Основная исследовательская жизнь прошла вне штатной академической карьеры. В семейном пивоваренном деле произошли изменения, предприятие было продано в 1854 году. Финансовая основа работы со временем стала менее надёжной. Возможность заниматься наукой за собственный счёт выглядит романтично, пока собственный счёт выдерживает расходы. Приборы, поездки и годы труда не становятся бесплатными оттого, что автор работает из любви к истине.

С Томсоном мы продолжали совместные исследования свойств газов и тепловых процессов. У каждого была своя часть работы, и результаты не следует приписывать тому, чья последующая публичная фигура оказалась громче. В хорошем сотрудничестве роли различаются, но различие не образует автоматически лестницу достоинства. Я приносил экспериментальную точность и настойчивое внимание к деталям; Томсон — выдающуюся теоретическую и математическую силу. Обе составляющие были нужны.

Не только тот сосуд из учебника

Я исследовал магнитные явления, изменение размеров тел, свойства газов, процессы, связывающие механическое действие и тепло. Отдельные направления сегодня значительно менее известны, чем основной сюжет об энергетическом эквиваленте. Это нормально для исторической памяти, но не очень хорошо для понимания рабочего дня. Он состоял из множества вопросов, часть которых давала важный результат, часть оставалась ограниченной, а часть требовала гораздо больше усилий, чем потом получала места в биографии.

Манчестерское литературное и философское общество оставалось важной средой. Я занимал в нём разные должности, участвовал в обсуждениях и поддерживал научную жизнь города. Здесь не было необходимости изображать каждое собрание заседанием будущих нобелевских лауреатов. Работоспособное научное сообщество состоит также из регулярности: кто-то организует встречи, читает доклад, задаёт вопрос, хранит документы. Для исследователя без собственной университетской кафедры такая среда особенно существенна.

Мои религиозные убеждения были серьёзными. Я видел изучение природы в рамках христианского мировоззрения, а не как отдельную деятельность, которую нужно спрятать от веры. Это исторический факт обо мне, но не универсальное объяснение научного результата. Точность опыта оценивается по устройству опыта; человек, который его проводит, при этом может иметь определённые философские и религиозные мотивы. Смешивать эти уровни столь же невыгодно, как делать вид, что один из них вовсе отсутствует.

Приоритет: у большого вопроса несколько дверей — Последние годы без торжественного оркестра

Приоритет: у большого вопроса несколько дверей

История сохранения энергии не принадлежит только мне. Юлиус Роберт Майер, Герман Гельмгольц и другие исследователи подходили к связанным вопросам своими путями. Обсуждение приоритета бывало острым. В нём легко начать защищать удобную национальную или персональную версию истории: один герой всё понял, остальные появились на готовое. Но экспериментальное установление, общая формулировка, математическое развитие и распространение идеи — не одно и то же действие. Разделять их полезнее, чем устраивать посмертный турнир фамилий.

Мой вклад был особенно силён там, где требовалось показать численную связь на опыте и выдержать проверку точностью. Этого достаточно для важного места в истории; нет нужды дополнительно присваивать всю интеллектуальную работу эпохи. Вместе с тем слово «экспериментатор» не означает человека, который лишь послушно измеряет то, что заранее придумал кто-то другой. Выбрать метод, понять, какие потери существенны, и увидеть общий смысл результатов — тоже интеллектуальная работа, причём весьма требовательная.

Последние годы без торжественного оркестра

В 1870 году я получил медаль Копли. Международное признание, почётные степени и внимание научного сообщества постепенно сделали моё имя общеизвестным. Но здоровье ухудшалось, а средства не были безграничными. В 1878 году мне назначили государственную пенсию в двести фунтов в год. История хорошо напоминает: научная слава не всегда превращается в устойчивый доход, особенно когда большую часть карьеры человек не получал университетского жалованья.

С 1877 года я жил в Сейле, неподалёку от Манчестера. Работать в прежнем объёме становилось всё труднее. К концу жизни результаты уже прочно вошли в физику, но повседневность определяли возраст, болезни и семейная помощь, а не непрерывные публичные церемонии. Имя постепенно превращалось в единицу измерения. Сам человек от этого не становился ни моложе, ни здоровее. В данном случае природа снова проявила полное равнодушие к репутации.