Это верно не только в отношении Солнца, но и в равной степени справедливо для каждой планеты и спутника, каждого метеора или кометы, каждой звезды и солнца, которые существуют или пребывают в этой эфирной среде; ибо, как уже было показано (ст. 49), каждое тело испускает эфирные волны, и эти волны распространяются во всех направлениях в форме сферы.
Истина заключается в том, что универсальный эфир находится в вечном движении, и это движение составляет физическую жизнь Вселенной. Если бы можно было уничтожить это движение, то вся ткань Вселенной распалась бы на части, а красота, порядок и гармония небесного механизма были бы заменены беспорядком, путаницей и окончательной гибелью. Возьмите любую аналогию природы и посмотрите, чему она нас учит. Посмотрите на любую планету, солнце или звезду. Находим ли мы хоть одно из них неподвижным или находящимся в покое? Да ведь от самого маленького метеорита или спутника до самой большой звезды, сияющей на небосводе, нет ничего, кроме движения; каждый спутник, планета, солнце и звезда движутся все дальше и дальше, вечно, сквозь бесчисленные века времени, пока их путь не будет пройден и их существование не закончится. Но покой — никогда! Такое понятие, как покой, неизвестно во всей Вселенной, будь то в атомных системах материи или в системах звезд и солнц, образующих Вселенную миров.
Возьмите другую иллюстрацию — океан! Разве он когда-нибудь находится в покое со своим непрекращающимся волновым и приливным движением? Приходилось ли читателю когда-нибудь стоять на берегу и видеть океан, когда он был абсолютно неподвижен или когда прилив переставал течь? Такую возможность почти абсурдно рассматривать. Тот же аргумент применим к воздуху с его регулярным потоком ветров. Теперь, что касается эфирной и универсальной среды, здесь существуют такие же регулярные движения, как течение прилива вокруг Земли, или вращение спутника вокруг планеты, или планеты вокруг Солнца.
И что не менее важно, все эти движения могут быть столь же удовлетворительно объяснены и обоснованы с физической точки зрения, как течение прилива или обращение планеты.
Из года в год движения эфира остаются неизменными, подчиняясь одним и тем же законам и производя одни и те же эффекты. Эпоха за эпохой эфир находился в движении, создавая своими разнообразными движениями непрерывность той красоты, порядка и гармонии, которые управляют Вселенной в целом.
Я уже указал в ст. 45 на влияние гравитации на эфир, окружающий каждый спутник, планету, звезду или солнце. По мере того как каждый спутник, планета или звезда движется сквозь универсальный эфир, он увлекает за собой окружающий его эфир, как указано в ст. 45, точно так же, как каждая планета или солнце увлекает за собой свою собственную атмосферу, которая удерживается в контакте с ним той же самой силой гравитации.
В дополнение к этому движению эфирной атмосферы сквозь пространство существуют и другие движения этого же гравитирующего эфира, которые необходимо принять во внимание, прежде чем можно будет прийти к полному и адекватному представлению обо всех движениях эфира.
Однако я не намерен на данном этапе подробно останавливаться на таких движениях, а скорее хочу подвести к ним, исходя из рассмотрения гипотез, выдвинутых такими людьми, как Рэнкин, Чаллис, Максвелл, лорд Кельвин, Маккалла и Гельмгольц, и из рассмотрения таких гипотез в области тепла, света и электричества, чтобы иметь возможность сформировать научное представление о собственных движениях эфира, а также философское.
ГЛАВА V
ЭНЕРГИЯ
Ст. 51. Энергия. — Во времена Ньютона и долгое время после него вся энергия называлась «силой». Так, Ньютон в своих законах движения ссылается на действие сил на неподвижные или движущиеся тела и показывает, как движение любого тела осуществляется под воздействием приложенной силы. (Ст. 13.)
По мере развития науки и проведения научных исследований в областях тепла, света и электричества мы обнаруживаем, что различные силы начали конкретизироваться, в результате чего такие термины, как электрическая сила, магнитная сила, химическая сила и т. д., стали обычными и привычными. По мере того как постепенно становилось известно, что один конкретный вид силы является результатом другого вида, миру были предложены такие термины, как корреляция сил (Гроув), в которой он доказал, что всякий раз, когда один вид силы проявлялся как тепло или свет, это происходило за счет другого вида силы, например, электричества.
В последние годы, однако, в философию проник другой термин, и вместо термина «сила», который по своему характеру очень неясен и неопределенен, появился термин «энергия», хотя сила и энергия — это не совсем синонимичные термины. Таким образом, электричество, тепло и свет являются формами энергии и преобразуемы друг в друга точно так же, как были преобразуемы силы. Таким образом, мы получаем преобразования энергии точно так же, как мы имели преобразования силы, и сохранение энергии точно так же, как мы имели сохранение силы.
Даже термин «энергия», однако, в настоящее время заменяется чем-то более определенным и простым, и вместо термина «энергия» мы обнаружим, в развитии этой фазы природных явлений, что этот термин заменяется простой идеей движения или видами движения, и что все формы энергии, такие как свет, тепло, магнетизм и электричество, и даже сама гравитация, обусловлены движением того или иного рода. Мы, однако, подведем к этой истине, кратко рассмотрев термин «энергия» и посмотрев, что он подразумевает и воплощает.
Энергия, следовательно, — это то свойство, которым обладает тело, благодаря которому оно способно совершать работу. Таким образом, наши представления о работе дают нам наше понимание энергии. Например, когда груз поднимается, совершается работа, и в процессе затрачивается определенное количество энергии. Более того, количество совершенной работы пропорционально поднятому весу и высоте, на которую поднято тело. Работа совершается против сопротивления, так что всякий раз, когда сопротивление преодолевается, результатом является работа. Например, предположим, что один фунт поднят на один фут вверх, в противовес силе гравитации, тогда работа совершена, и это количество работы известно как фут-фунт.
Если тело весит десять фунтов и поднято на десять футов, совершенная работа равна десяти фунтам, умноженным на десять футов (10 × 10 равно 100), так что было совершено в сто раз больше работы по сравнению с поднятием одного фунта на один фут вверх.
Поскольку весь вес является по существу гравитационной мерой, зависящей от интенсивности гравитации в данном месте, то всякий раз, когда тело поднимается, совершенная таким образом работа совершается против гравитации Земли.
Работа также совершается, как указывает Ньютон в первом и втором законах, всякий раз, когда мы прикладываем силу к любому телу, будь то неподвижному или уже находящемуся в движении. Результаты всех наблюдений и экспериментов доказывают, что всякий раз, когда у нас есть два тела, над которыми совершается работа, количество работы определяется количеством энергии, переданной от одного тела к другому, и что фактическое количество энергии, полученное одним, равно количеству энергии, потерянному другим.
Энергия всегда находится в ассоциации с материей, поэтому материю иногда называют носителем энергии. Где бы, следовательно, мы ни обнаружили энергию любого вида или сорта, там мы обнаруживаем и материю, так как они неразрывно связаны друг с другом. Таким образом, где бы у нас ни было тепло, у нас есть материя в определенном состоянии движения, обычно понимаемом как вибрационное движение. Где бы у нас ни был свет, который также является формой энергии, у нас также есть материя в движении, то есть эфир, в состоянии периодического волнового движения; и где бы у нас ни было электричество, у нас снова есть материя, возможно, в состоянии вращательного движения, как мы увидим позже. Энергия, следовательно, — это сила, которой обладает тело для совершения работы.
Ст. 52. Сохранение энергии. — Принцип сохранения энергии был впервые сформулирован Майером в 1842 году. Принцип может быть определен следующим образом: общее количество всей энергии, такой как свет, тепло, электричество и магнетизм, гравитация и т. д., в природе неизменно; так что, согласно этому закону, Вселенная обладает запасом энергии, который неизменен по количеству во все времена. Энергия может переходить из одной формы в другую, но общее количество всегда остается прежним. Почти излишне говорить, что это принцип, который, подобно сохранению материи, не поддается абсолютному доказательству, но его допущение время от времени значительно помогало научной мысли и умозрениям. Джеймс Клерк Максвелл говорит (Теория тепла) по этому поводу: «Общая энергия любого тела — это величина, которая не может быть ни увеличена, ни уменьшена никаким взаимным действием тел, хотя она может быть преобразована в те формы, к которым энергия восприимчива».
Сохранение энергии неразрывно связано с сохранением материи (ст. 30). Их нельзя разделить, потому что, если энергия встречается только в ассоциации с материей, то если закон сохранения материи рушится, принцип сохранения энергии рушится вместе с ним. Энергия, следовательно, подобно материи, не может быть уничтожена или создана никаким известным человеку процессом. Поскольку не существует процесса, известного ни в химическом, ни в физическом мире, с помощью которого новая материя могла бы быть создана человеком, так и в отношении энергии любого вида или сорта не существует процесса, известного человеку, с помощью которого он мог бы создать или даже уничтожить малейшую форму энергии, которая существует. Если энергия появляется в каком-либо теле или в какой-либо конкретной форме, это происходит исключительно из-за потери энергии в каком-то другом теле или в какой-то другой форме.
Все изменения энергии, следовательно, — это просто изменения, обусловленные разницей в форме, в которой энергия проявляется. В одно время она будет проявляться в форме света, затем тепла, затем механического движения и так далее. Джоуль дал нам несколько хороших иллюстраций этого принципа сохранения энергии. Он показал нам, как электричество может быть превращено в тепло, а тепло — в работу. Когда свет, который является формой энергии, поглощается каким-либо непрозрачным телом, обнаруживается, что тело, которое его поглотило, стало горячее. Энергия света не была уничтожена, но, поскольку ее энергия не может пройти сквозь непрозрачное тело, она была использована для приведения в беспокойство частиц и атомов этого тела, которое вследствие этого становится горячее.
Таким образом, исходя из принципа сохранения энергии, который действует не только в нашем планетарном мире, но и во всем солнечном и звездном пространстве, и, действительно, во всей Вселенной, мы приходим к выводу, что общее количество энергии во всей Вселенной неизменно. В эволюции и развитии миров, и в разрушении этих миров после долгих периодов времени, во всех разнообразных проявлениях тепла, света, электричества и магнетизма, связанных с развитием и разрушением каждого небесного тела, сумма энергии Вселенной остается прежней. Метеоры могут устремляться в атмосферу планет и растворяться в эфире из-за трения, кометы могут растворяться в свои составные газы, приближаясь к Солнцу, вода может превращаться в пар под воздействием тепла летнего солнца, растительность может производиться из, казалось бы, мертвой материи, а затем эта растительность может сама разлагаться и возвращаться в пыль, из которой она была построена, но во всех этих процессах рождения и смерти, эволюции и инволюции, сумма активной живой энергии, которая связана со всеми явлениями, остается неизменной и неизменяемой. Таково учение великого принципа сохранения энергии, сформулированного Майером и Гельмгольцем.
Ст. 53. Преобразование энергии. — Одной из главных характеристик энергии является то, что мы можем преобразовывать ее, и она главным образом полезна нам из-за своей способности быть преобразованной, но во всех ее преобразованиях общее количество энергии остается прежним. Преобразование энергии делает ее необходимой для существования всей жизни и для всех физических изменений во Вселенной. Майер показал нам, что вся энергия в Солнечной системе первично черпает свое существование от Солнца, и что вся растительная и физическая жизнь обязана своим продолжением существования энергии, которая изливается от Солнца на планетарные миры. Так что энергия всегда течет от Солнца в окружающее пространство в форме света, тепла и электричества, средой ее прохождения являясь универсальный эфир.
Этот принцип преобразования учит нас, что тепло может быть преобразовано в электричество; что свет может быть преобразован в тепло, или электричество может быть преобразовано либо в тепло, либо в свет, либо в то и другое. Этот принцип преобразования естественно вытекает из принципа сохранения энергии; потому что, если энергия не может быть уничтожена никаким образом, но заставляется исчезнуть каким-либо процессом, она должна появиться вновь в какой-то другой форме, и, следовательно, была преобразована из своего первоначального состояния. Так что всякий раз, когда один вид энергии исчезает, тогда абсолютно необходимо, согласно принципу сохранения энергии, чтобы был произведен какой-то другой вид. Не может быть никакой реальной потери или уничтожения.
Это подводит нас к следующему пункту относительно этого принципа преобразования, который заключается в том, что все преобразования энергии происходят в фиксированных пропорциях. Когда сжигается определенное количество угля, производится определенное количество тепла, или тепловой энергии, как ее иногда называют, и количество произведенного таким образом тепла определенно пропорционально количеству потребленного угля.
Если бы определенное количество угля было сожжено в идеальном паровом двигателе, то есть таком, в котором не было бы потери тепла, тогда также было бы совершено определенное количество механической работы, которое было бы строго пропорционально теплу, генерируемому потреблением угля. Так что, когда уголь помещается в двигатель, потенциальная энергия угля преобразуется в кинетическую энергию пара, а та снова преобразуется в актуальную механическую энергию самого двигателя, с помощью которой совершается работа по движению, толканию или тяге поезда, и количество совершенной работы пропорционально потребленному углю. Иллюстрации преобразования обычны и могут быть увидены любым человеком, живущим в большом городе. Так, на любой электрической станции или конечной остановке электрического трамвая эти преобразования различных форм энергии являются очень знакомыми зрелищами. У нас есть сначала преобразование угля в топке в тепло. Это тепло превращает воду в пар, движение которого передается через соответствующий механизм в динамо-машину, продуктом которой является электричество. Это электричество затем передается по проводам, и им совершается работа путем перемещения трамваев по связанной трамвайной системе, или оно может быть преобразовано в тепло в угольной нити в самом вагоне, которая, если ее достаточно нагреть, затем произведет электрический свет. Так что, начиная с угля, у нас есть несколько преобразований из него в формы тепла, света, движения и, наконец, механической энергии, что приводит к работе. Возникает вопрос о том, каков закон эквивалентности в отношении преобразования энергии. То есть, если у нас есть определенное количество энергии данного вида, сколько любого другого вида может быть произведено ею? Ответ частично содержится в утверждении, сделанном Джоулем в 1843 году, которое практически воплощает то, что известно как первый закон термодинамики, и заключается в следующем: «Когда равные количества механических эффектов производятся любыми средствами из чисто тепловых источников или теряются в чисто тепловых эффектах, тогда равные количества тепла выводятся из существования или генерируются, и на каждую единицу тепла, измеренную путем повышения температуры фунта воды на один градус по Фаренгейту, вы должны затратить 772 фут-фунта работы». Из этого закона мы узнаем, что тепло может быть использовано для совершения работы, но что определенное количество тепла всегда расходуется в процессе. Также можно продемонстрировать, что электрические токи могут совершать работу, но для генерации токов должно быть совершено определенное количество работы.
Эта эквивалентность и преобразование преобладают во всех формах энергии, будь то механическая энергия, тепловая энергия или электрическая энергия.
Ст. 54. Потенциальная энергия. — Энергия была разделена на два класса, которые называются соответственно потенциальной энергией и кинетической энергией. Мы рассмотрим сначала первую.
Потенциальную энергию можно кратко определить как энергию положения.
Таким образом, если мы поднимаем тело с земли, энергия, которая была ему придана, — это энергия положения, или потенциальная энергия. Ледник высоко в горах обладает потенциальной энергией из-за своего положения. Одним лишь фактом того, что он расположен высоко в горах, он обладает способностью совершать работу при своем спуске, и если этот спуск будет очень внезапным, совершенная работа будет разрушительной, так как он может смести все дома и деревни при своем внезапном спуске. Таким образом, одним лишь фактом своего возвышения он обладает силой совершать работу, которую он теряет, когда спустился. Опять же, работа, совершенная при заводке пружины часов, сохраняется в форме потенциальной энергии и постепенно расходуется в форме движения или кинетической энергии.
Потенциальная энергия — это действительно дополняющий принцип кинетической энергии. То есть количество потенциальной энергии, потерянной любым телом, равно количеству кинетической энергии, полученной другим телом, которому была передана энергия. В случае падающего тела, по мере того как потенциальная энергия уменьшается, кинетическая энергия увеличивается, но общее количество их обоих всегда остается прежним. Это хорошо иллюстрируется в случае качающегося маятника. Когда маятник находится в самой высокой точке своего размаха, его скорость или кинетическая энергия равны нулю, но в этой точке его потенциальная энергия наибольшая. По мере того как он опускается, потенциальная энергия уменьшается, но кинетическая энергия увеличивается. Когда маятник находится в самой низкой точке, его энергия полностью кинетическая, потенциальная энергия в этой точке равна нулю, в то время как он обладает достаточной кинетической энергией, чтобы поднять его на самый высокий уровень снова. На протяжении всего цикла этих операций сумма двух энергий всегда остается прежней.