Джоуль, Джеймс Прескотт

(1818-1889) английский физик

Одно из центральных мест в истории физики XIX века занимают исследования способов превращения одной формы энергии в другую. Первым, кто смог не только наблюдать этот процесс, но и точно измерить его, был Джеймс Джоуль.

Джеймс Прескотт Джоуль родился и провел детство в родовом поместье — небольшом поселке Санфорд, близ Манчестера. Его отец владел пивоваренным заводом и рассчитывал, что когда-нибудь сын пойдет по его стопам. Из-за слабого здоровья врачи запретили Джеймсу учиться в школе. Но отец не жалел денег на учителей, и мальчик получил прекрасное домашнее образование. Уже в пятнадцать лет он понял, что будет заниматься только физикой. Свой выбор Джоуль сделал под влиянием известного ученого Джона Дальтона, который жил неподалеку от их дома и по просьбе отца Джеймса стал заниматься с мальчиком математикой и естественными науками. Впоследствии Джеймс Джоуль называл Дальтона своим единственным учителем.

Когда Джеймсу исполнилось восемнадцать лет, он упросил отца переехать в город и начал посещать лекции в Манчестерском университете. Но вскоре болезнь вновь дала о себе знать, и Джеймсу пришлось ограничиться лабораторными занятиями с Дальтоном. Джоуль так и не получил диплома об окончании университета, и это обстоятельство неоднократно мешало ему в будущем. Из-за слабого знания математики он не смог дать точное количественное обоснование открытых им законов.

Вначале, Джеймс Прескотт Джоуль занялся изучением магнитных явлений. Исследуя поведение различных материалов, он заметил, что стержни, сделанные из некоторых металлов, например железа или никеля, становятся длиннее, если их поместить в магнитное поле. Это явление получило название магнито-стрикции. Сейчас оно широко используется в технике, а во времена Джоуля многие ученые вообще сомневались в его существовании. Дело в том, что удлинение стержня было таким маленьким, что его могла уловить лишь очень чувствительная аппаратура. Но Джоуль разработал простую и наглядную методику измерений, позволявшую получить доказательные результаты.

Изучая действие электромагнитов, Джеймс Джоуль наблюдал и тепловое воздействие тока. Прочитав работы английского физика Фарадея, который описал явление электромагнитной индукции, Джоуль решил исследовать превращение электрической энергии в тепловую. В 1841 году он направил в Лондонское королевское общество статью, в которой описал зависимость температуры проводника от силы проходящего по нему тока. Но статья никому не известного любителя физики показалась настолько новаторской, что редактор лондонского журнала отказался ее печатать. Он прислал Джеймсу Джоулю письмо, в котором потребовал перепроверить правильность полученных результатов. Но Джеймс не отступил и вскоре напечатал свою статью в трудах Манчестерского литературного и философского общества. Занятия наукой вызвали разрыв с отцом, который перестал давать деньги на научную работу своего сына.

Вскоре Джеймс Прескотт Джоуль получил журнал, в котором прочитал об аналогичных опытах, проведенных русским физиком Э. Ленцем. Впоследствии выведенная ими формула стала называться законом Джоуля-Ленца, а само открытие привело к появлению новой науки — термодинамики.

Теперь об исследованиях Джеймса Джоуля заговорили все английские физики, и его работа наконец увидела свет в журнале Королевского общества. В жизни ученого также произошли изменения. После смерти отца он наконец получил экономическую независимость, женился на девушке, которую любил многие годы, и оборудовал прекрасную лабораторию в своем поместье, где продолжил свои исследования. Джоуль решил доказать, что выделение теплоты подчиняется единому общему закону и не зависит от конкретного вида энергии.

Проведя многочисленные эксперименты, ученый пришел к выводу, что теплота выделяется при любой механической работе. В своей статье он писал: «Могучие силы природы неразрушимы, и во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получается точно эквивалентное количество теплоты». В результате Джеймс Прескотт Джоуль ввел в науку понятие механического эквивалента теплоты, то есть того количества работы, которую надо проделать, чтобы повысить температуру вещества на один градус. Исследования Джоуля отличались точностью эксперимента и наглядностью результатов. После их публикации за ученым закрепилась слава блестящего экспериментатора.

В 1847 году он познакомился с крупнейшим английским физиком У. Томсоном, который высоко оценил труды ученого и пригласил его для работы в свою лабораторию. Последнее было для Джоуля особенно важным, так как он постоянно нуждался в деньгах для покупки научных приборов.  Джеймс Джоуль сразу же принял предложение Томсона и с энтузиазмом взялся за работу. Вместе с ассистентом Патнемом они подготовили более двадцати работ, в которых практически заложили основы газовой динамики. В результате их совместной работы было открыто изменение температуры газа при его протекании через пористую перегородку. Это явление было названо эффектом Джоуля-Томсона.

По предложению Томсона Джоуля избрали членом Королевского общества. В это же время он выступил с лекцией, в которой изложил свои соображения о строении газов, подсчитал скорость движения молекул водорода и впервые в мире попытался определить теплоемкость газа. Не все ученые согласились с его выводами, но вскоре их подтвердили и другие исследователи, например немецкий физик Р. Клаузиус. Впоследствии стало ясно, что Джоуль заложил основы кинетической теории газов, из которой позже возникла новая наука — газовая динамика.

В 1854 году Джеймса Прескотта Джоуля постигла тяжелая утрата — от внезапной болезни скончалась сначала его жена, а затем единственный сын. Ученый был буквально раздавлен горем. На несколько лет он удалился в свое поместье и жил там практически в полном одиночестве. Лишь несколько друзей посещали его дом, не давая замкнуться в себе.

В 1867 году к Джеймсу Джоулю обратилась Британская ассоциация содействия развитию науки. Ученому поручили провести особо точные измерения механического эквивалента теплоты. Опыты позволили уточнить принятый в то время механический эталон единицы теплоты. В результате проделанной работы во всем мире была принята новая единица теплоты, позже названная именем Джоуля.

Ученый вошел в число крупнейших английских физиков, благотворительные фонды наперебой предлагали ему денежную помощь, его приглашали преподавать в лучшие университеты. Однако здоровье продолжало ухудшаться. Из-за постоянной болезни горла он не мог преподавать. Кроме того, вскоре Джоуль начал слепнуть и почти полностью оглох. В 1878 году конкуренты разорили его, и отцовскую фабрику пришлось продать за долги. Джеймс Прескотт Джоуль остался практически без средств к существованию. Ученому с мировым именем было буквально не на что купить себе хлеба. К счастью, английским физикам удалось выхлопотать для него государственную пенсию. Но восстановить здоровье уже было нельзя. Джоуль почти перестал работать, а последние десять лет провел в своем доме прикованный к постели.