«Жизнь и смерть»

Энергия. — Работа, понятая таким образом, есть механическая энергия. Она представляет собой длительный и объективный эффект механической активности, независимый от всех обстоятельств, при которых она была выполнена. Одна и та же работа может быть выполнена при очень разных условиях времени, скорости, силы и перемещения. Это, следовательно, постоянный элемент в разнообразии механических аспектов. Работа, например, при столкновении тел, когда движение тела, по-видимому, уничтожается при ударе о другое, вновь появляется как неуничтожимая живая сила (vis viva). Это, следовательно, именно то, что мы называем энергией; и если мы согласимся дать ей это название, мы можем сказать, что сохранение энергии неизменно во всех механических превращениях.

Различие между работой и силой, а также между энергией и работой. — История механики показывает нам, сколько труда было затрачено и какие усилия были предприняты, чтобы отличить работу (теперь механическую энергию) от силы.

Стоит настаивать на этом различии. Легко можно было бы показать, что сила не имеет объективного существования. Она не имеет длительности, не имеет постоянства. Она не переживает свой эффект — движение. Нет сохранения силы. Она переходит мгновенно из бесконечности в ноль. Это векторная величина — то есть она включает идею направления. Работа, с другой стороны, является реальным элементом; это скалярная величина, включающая идею противоположных направлений, обозначаемых знаками + и -. Работа и сила — гетерогенные величины. Энергия, и это единственная характеристика, по которой она отличается от работы, — это абсолютная величина, которой мы не можем даже приписать противоположные знаки.

Пример может, возможно, подчеркнуть эти характеристики — а именно гидравлический пресс. Мы имеем на платформе в точности ту работу, которая была проделана на другой стороне. Машина лишь заставила ее изменить форму. Напротив, сила была бесконечно умножена. Мы можем, по сути, рассмотреть бесконечное число поверхностей, равных поверхности малого поршня, расположенных и ориентированных по желанию внутри жидкости; каждая, согласно принципу Паскаля, будет поддерживать давление, равное тому, которое оказывается. Как только мы перестаем его поддерживать, эта бесконечность мгновенно падает до нуля. Но что реальное могло бы перейти мгновенно из бесконечности в ноль?

Тот искусный и весьма способный физиолог, М. Шово, попытался использовать один и тот же термин «энергия сокращения» для двух явлений усилия (силы) и работы. Кажется, однако, с точки зрения затрат, налагаемых на организм, что эти два режима активности — статическое сокращение (усилие) и динамическое сокращение (работа) — могут, по сути, быть вполне сопоставимы. Но хотя этот способ осмысления явлений, безусловно, может быть точным и может иметь большую ценность, идея силы тем не менее должна оставаться отличной от идеи работы. Упорство автора в нарушении установленного обычая в этой связи помешало ему дать возможность механикам и даже некоторым физиологам понять и принять очень полезные истины.

Мощность. — Идея механической мощности отличается от идей силы и работы. Должна вмешаться идея времени. Недостаточно, по сути, чтобы охарактеризовать механическую операцию, указать выполненную задачу. Может быть необходимо или полезно знать, сколько времени она потребовала. Это верно, особенно когда нас интересуют обстоятельства, а также результаты выполнения работы; и это тот случай, когда мы хотим сравнить машины. Мы говорим, что машина, которая выполняет работу за кратчайшее время, является самой мощной. Единицей мощности является килограммометр-секунда — то есть мощность машины, которая выполняет килограммометр в секунду. В промышленности мы обычно используем единицу в 75 раз большую — лошадиную силу. Это мощность машины, которая выполняет 75 килограммометров в секунду. В электротехнической промышленности мы измеряем в киловаттах, которые эквивалентны 1,36 лошадиной силы, или в ваттах, единице в тысячу раз меньшей.

Добавим, что мощность машины не является абсолютной и постоянной характеристикой машины. Она зависит от обстоятельств, при которых выполняется работа, и именно поэтому, в частности, мы не можем оценить мощность человеческой машины в сравнении с промышленными машинами. Опыт показал, что механическая мощность живых существ зависит от характера работы, которую они выполняют. В этой связи мы можем упомянуть некоторые очень интересные эксперименты, сообщенные Институту в VI году знаменитым физиком Кулоном. Человека среднего веса 70 килограммов заставили подняться по лестнице дома высотой 20 метров. Он поднимался со скоростью 14 метров в минуту и выполнял эту ежедневную задачу в течение четырех эффективных часов. Эта работа была эквивалентна 235 000 килограммометров. Но если бы вместо того, чтобы подниматься без груза, тому же человеку пришлось нести груз, результат был бы совсем другим. Рабочий Кулона поднимал шесть грузов дров в день на высоту 12 метров за 66 рейсов, что соответствовало максимальной работе 109 000 вместо 235 000 килограммометров. Механическая мощность человеческой машины, таким образом, варьировалась в двух случаях в отношении 235 к 109.

Два аспекта механической энергии: кинетическая и потенциальная. — Энергия, или механическая работа, может представляться в двух формах — кинетическая энергия, соответствующая механическому явлению, которое действительно имело место, и потенциальная энергия, или энергия резерва.

Тело, которое было поднято на определенную высоту, если его отпустить, совершит работу, которую можно точно измерить в килограммометрах как произведение его веса на высоту, с которой оно падает. Такая работа может быть использована многими способами. Таким образом, например, работают общественные часы. Теперь, пока гиря часов поднята и не отпущена, и пока она неподвижна, физика ранних дней сказала бы, что обсуждать нечего; явление — это падение; оно собирается произойти, но в данный момент падения не было.

В энергетике мы так не рассуждаем. Мы говорим, что тело обладает способностью к работе, которая проявится, когда представится возможность, запасом энергии, виртуальной или потенциальной энергией, или, иначе, энергией положения, которая превратится в актуальную энергию или реальную работу, как только тело упадет.

Давайте спросим, откуда возникает эта энергия. Она происходит от предыдущей операции, которая подняла вес с поверхности почвы в положение, которое он занимает. Например, если речь идет о гирях общественных часов, которые своим падением разовьют за 15 дней работу, необходимую для вращения колес, удара в колокол и вращения стрелок, эта работа должна напомнить нам в точности равную и противоположную работу, проделанную часовщиком, которому пришлось нести гирю часов и поднять ее с земли до точки отправления. Работа падения является верным аналогом работы подъема. Явление, следовательно, в действительности имеет две фазы. Мы находим во второй в точности то, что было вложено в первую, то же количество энергии — то есть ту же работу. Между этими фазами приходит промежуточная фаза, о которой мы говорим, что это период виртуальной или потенциальной энергии. Это способ в некоторой мере помнить о предшествующем явлении — то есть о работе подъема, и указывать на явления, которые последуют — то есть на работу падения. И таким образом мы соединяем нашими мыслями текущую ситуацию с предшествующим и последующим положением, и именно из этого соображения непрерывности возникает концепция энергии — то есть чего-то, что сохраняется и оказывается постоянным в последовательности явлений. Эта энергия, от которой мы не теряем ни следа, не кажется нам новой, когда она проявляется. Наше воображение в конечном итоге материализует идею о ней. Мы следуем за ней как за реальной вещью, имеющей объективное существование, которая спит в течение латентного потенциального периода и открывается или проявляется позже.

Среди других примеров пример закрученной пружины, которая разматывается, особенно подходит для демонстрации этого фундаментального характера идеи механической энергии, идеи, которая является самой ясной из всех. Машины — это только трансформаторы, а не создатели механической энергии. Они только меняют одну форму на другую.

Точно так же поток воды или горный поток может быть использован для приведения в движение колес и турбин фабрик, расположенных в долине. Его спуск производит механическую работу, которая была бы творением ex nihilo, если бы мы не связывали явление с его предшественниками. Мы смотрим на это как на простое восстановление, если думаем о происхождении этой воды, которая была перенесена и поднята каким-то образом до своего уровня игрой природных сил — испарением под действием солнца, образованием облаков, переносом ветрами и т. д. И мы здесь снова видим, что сложная энергия была превращена в своем первом феноменальном состоянии в потенциальную энергию и что эта потенциальная энергия всегда расходуется во второй фазе без потерь или приобретений.

Различные виды механической энергии: движения, положения. — Существует столько форм энергии, сколько существует различных категорий явлений или разновидностей в этих категориях. Физики различают два вида механической энергии — энергию движения и энергию положения. Энергия положения представляет несколько вариантов — энергию расстояния, которая соответствует силе: о ней мы только что говорили; энергию поверхности, которая соответствует частным явлениям поверхностного натяжения; и энергию объема, которая соответствует явлениям давления. Энергия движения, кинетическая энергия, измеряется двумя способами: как работа (произведение силы и перемещения, W = fs) или как живая сила (половина произведения массы на квадрат скорости U = mv2/2).

§ 4. Тепловая энергия.

В элементах физики в наши дни преподается, что механическая работа может быть превращена в теплоту, и взаимно, что теплота может быть превращена в механическую работу. Трение, удар, давление и расширение разрушают или аннигилируют механическую энергию, сообщенную телу или органам машины. С исчезновением движения мы отмечаем появление теплоты. Примеров множество. Шина колеса нагревается от трения о дорогу. Куски стали нагреваются от удара о камень, как в старом огниве. Два куска льда были расплавлены Дэви, который тер их один о другой, при внешней температуре ниже нуля. Кипение массы воды, вызванное сверлом, было замечено Румфордом в 1790 году во время производства бронзовых пушек. Металл, ударяемый на наковальне, нагревается. Свинцовый шар, сплющенный о сопротивляющееся препятствие, показывает повышение температуры, доведенное до точки плавления. Наконец, и символически, мы имеем происхождение огня в басне о Прометее, путем трения друг о друга кусков дерева, которые индусы называли прамантха. Корреляция постоянна между тепловыми и механическими явлениями, корреляция, которая становится очевидной, как только наблюдатели перестают ограничиваться определением в изоляции того или иного факта. Никогда не бывает реального уничтожения теплоты и движения в истинном смысле слова; то, что исчезает в одной форме, появляется снова в другой; точно так же, как если бы нечто неуничтожимое появлялось в серии последовательных маскировок. Это впечатление переводится в слова, когда мы говорим о метаморфозе механической энергии в тепловую.

Механический эквивалент теплоты. — Интерпретация принимает замечательный характер точности, который сразу поражает ум, когда физика применяет к этим превращениям почти абсолютную точность своих измерений. Мы тогда обнаруживаем, что обменный курс неизменен. Превращения теплоты в движение и движения в теплоту происходят согласно строгому числовому закону, который приводит в точное соответствие количество каждой из них. Механический эффект оценивается, как мы видели, работой, то есть в килограммометрах. Теплота измеряется в калориях, причем калория — это количество теплоты, необходимое для нагревания от 0°C до 1°C килограмма воды (Калория) или одного грамма воды (калория). Установлено, что какими бы ни были тела и явления, которые служат посредниками для осуществления этого превращения, мы всегда должны затратить 425 килограммометров, чтобы создать Калорию, или затратить 0,00234 Калории, чтобы создать килограммометр. Число 425 является механическим эквивалентом Калории, или, как неправильно утверждается, теплоты. Именно этот постоянный факт составляет принцип эквивалентности теплоты и механической работы.

§ 5. Химическая энергия.

Мы не можем еще фактически измерить химическую активность напрямую, но мы знаем, что химическое действие может порождать все другие феноменальные модальности. Это их самый обычный источник, и именно к нему обращаются отрасли промышленности, чтобы получить теплоту, электричество и механическое действие. В паровой машине, например, работа, которая получается, возникает от сгорания углерода кислородом воздуха. Это порождает теплоту, которая испаряет воду, создает напряжение пара и в конечном итоге производит перемещение поршня. Теорию паровой машины можно было бы свести к этим двум положениям: химическая активность порождает теплоту, а теплота порождает движение; или, чтобы использовать язык, к которому читатель к этому времени уже привык, химическая энергия превращается в тепловую энергию, а та — в механическую энергию. Это серия фаз и мгновенных изменений, и обмен всегда осуществляется согласно фиксированному курсу.

Измерение химической энергии. — Наши знания о химической энергии менее продвинуты, чем знания об энергиях теплоты и чувственного движения. Мы еще не достигли стадии числовых проверок. Мы можем поэтому только утверждать эквивалентность химической и тепловой энергий без помощи числовых констант, потому что мы еще не знаем в нынешнем состоянии науки, как измерить химическую энергию напрямую. Другие известные энергии всегда являются произведением двух факторов: механическая энергия положения, или работа, измеряется произведением силы f и перемещения s; работа = fs; механическая энергия движения, U = 1/2 mv2, измеряется произведением массы на половину квадрата скорости. Тепловая энергия измеряется произведением температуры и удельной теплоемкости; электрическая энергия — произведением количества электричества (в кулонах) и электродвижущей силы (в вольтах). Что касается химической энергии, мы предполагаем, что она может быть оценена напрямую согласно системе Бертолле, принятой норвежскими химиками Гульдбергом и Вааге, посредством произведения масс и силы, или коэффициента сродства, который зависит от природы веществ, которые приводятся в соприкосновение, от температуры и от других физических обстоятельств реакции. С другой стороны, исследования М. Бертло позволяют нам во многих случаях получить косвенную оценку в терминах эквивалентной теплоты.

Две ее формы. — Интересно отметить, что химическую энергию также можно рассматривать в двух состояниях: потенциальной и кинетической энергии. Система уголь-кислород, чтобы сгореть в топке паровой машины, должна быть приведена в действие предварительной работой (местным воспламенением), точно так же, как груз, который поднят и оставлен неподвижным на определенной высоте, требует небольшого усилия, чтобы быть отделенным от своей опоры. Когда это условие выполнено, энергия немедленно проявляется. Мы должны признать, что она существовала в скрытом состоянии, в состоянии химической потенциальной энергии. Под полученным импульсом углерод соединяется с кислородом и образует угольную кислоту, C + 2O превращается в CO2; потенциальная энергия превращается в актуальную химическую энергию, а непосредственно после этого — в тепловую энергию. У нас было бы лишь весьма неполное и фрагментарное представление о реальности вещей, если бы мы рассматривали это явление горения изолированно. Мы должны рассматривать его в связи с тем, что фактически создало энергию, которую оно собирается рассеять. Этот предшествующий факт — действие солнца на зеленый лист. Углерод, который горит в топке машины, поступает из шахты, в которой он был накоплен в виде угля, — то есть продукта, который в своей первоначальной форме был растительным и который образовался за счет угольной кислоты воздуха. Растение отделило за счет солнечной энергии углерод от кислорода, с которым он был соединен в угольной кислоте атмосферы. Оно создало систему C + 2O. Таким образом, солнечная энергия производит химическую потенциальную энергию, которая так долго оставалась неиспользованной. Горение расходует эту энергию, снова превращая ее в угольную кислоту.

Материализация энергии. — Плодотворность идеи энергии, следовательно, как мы видим из всех этих примеров, обусловлена отношениями, которые она устанавливает между природными явлениями, чью необходимую связь разрушил чрезмерный анализ ранней науки. Она показывает нам, что в мире явлений нет ничего, кроме превращений энергии. И мы рассматриваем сами эти превращения как циркуляцию своего рода неразрушимого агента, который переходит от одной формы определения к другой, как если бы он просто надевал новую маску. Если нашему интеллекту требуются образы или символы, чтобы охватить факты и понять их связь, он может ввести их здесь. Он материализует энергию, сделает из нее своего рода воображаемое существо и придаст ей объективную реальность. И для разума, до тех пор, пока он не становится жертвой фантома, который он сам создал, это в высшей степени всеобъемлющая уловка, позволяющая нам легко уловить отношения между явлениями и их связь.

Мир представляется нам тогда, как мы сказали в самом начале, построенным с удивительной симметрией. Он предлагает нам не что иное, как превращения материи и превращения энергии; эти два вида метаморфоз управляются двумя одинаково неизбежными законами: законом сохранения материи и законом сохранения энергии. Первый из этих законов выражает тот факт, что материя неразрушима и переходит от одного феноменального определения к другому со скоростью эквивалентности, измеряемой весом; второй — что энергия неразрушима и что она переходит от одного феноменального определения к другому со скоростью эквивалентности, установленной для каждой категории открытиями физиков.

§ 6. Превращения энергии.

Идея энергии стала отправной точкой науки — энергетики, созданию которой посвятили свои усилия многие современные физики, среди которых Оствальд, Ле Шателье и другие. Это изучение явлений, рассматриваемых с точки зрения энергии. Я сказал, что она претендует на то, чтобы координировать и охватить все остальные науки.

Первой задачей энергетики должно быть рассмотрение различных форм энергии, известных в настоящее время, их определение и измерение. Это то, что мы только что сделали в общих чертах.

Во-вторых, каждая форма энергии должна рассматриваться по отношению к остальным, чтобы определить, является ли превращение одной в другую непосредственно осуществимым, какими средствами и, наконец, с какой скоростью эквивалентности. Эта новая глава — трудоемкая задача, которая заставила бы нас пройти через всю область физики.

Из этого долгого исследования нам здесь нужно коснуться лишь трех или четырех результатов, которые будут особенно важны в случае применения к живым существам. Они относятся к механической энергии, к отношениям тепловой и химической энергии, к полной роли тепловой энергии и, наконец, к чрезвычайной приспособляемости электрической энергии.

1. Превращение механической энергии. — Механическая энергия может превращаться в любую другую форму энергии, и все остальные могут превращаться в нее, за одним исключением — химической энергии. Механическое усилие не вызывает химического соединения. То, что мы знаем о роли давления в реакциях диссоциации, на первый взгляд кажется противоречащим этому утверждению. Но это лишь видимость. Давление вмешивается в эти операции только как предварительная работа или инициация, цель которой — привести тела в контакт в том самом состоянии, в котором они должны находиться, чтобы химические сродства могли вступить в игру.

2. Превращение тепловой энергии; инициация. — Тепловая (или световая) энергия не превращается непосредственно в химическую энергию. На самом деле тепло и свет способствуют и даже определяют большое количество химических реакций; но если мы доберемся до основ вещей, мы вскоре убедимся, что тепло и свет служат в некоторой мере лишь для инициации явления, для подготовки химического действия, для приведения тела в физическое состояние (жидкое, парообразное) или к той степени температуры (например, 400° C для соединения кислорода и водорода), которые являются необходимыми предварительными условиями для вступления на сцену химических сродств.

Напротив, химическая энергия может действительно превращаться в тепловую энергию. У нас есть пример этого в реакциях, которые происходят без помощи внешней энергии; и снова в тех весьма многочисленных случаях, таких как горение водорода и углерода или разложение взрывчатых веществ, когда реакции продолжаются после того, как они были инициированы. Я могу сделать еще одно замечание по поводу тепловой и световой энергии. Это не две действительно и существенно различные формы, как думали в первые дни физики. Когда мы рассматриваем вещи объективно, абсолютно не существует света без тепла; свет и тепло — это один и тот же агент. В зависимости от того, находится ли он на той или иной ступени своей шкалы величин, он производит более сильное впечатление на кожу (ощущение тепла) или на сетчатку (ощущение света) человека и животных. Разницу можно отнести на счет разнообразия работы, а не агента. Кинетическая теория показывает нам, что агент качественно идентичен. Слова «тепло» и «свет» лишь выражают случай встречи лучистого агента с кожей и сетчаткой. На низшей степени активности этот агент не оказывает никакого действия на окончания тепловых кожных нервов, ни на окончания зрительного нерва. По мере повышения этой степени первые из этих нервов начинают реагировать (холод, тепло), причем исключая нервы зрения. Затем реагируют оба (ощущение тепла и света), и, наконец, за пределами этого реагирует только зрение. Превращение одной энергии в другую здесь, следовательно, сводится к возможности увеличения или уменьшения интенсивности действия этого общего агента в точных пропорциях, подходящих для перехода от одного из состояний к другому; и это легко, когда речь идет о подъеме по шкале в случае света, и, напротив, это не осуществимо непосредственно, то есть без внешней помощи, когда речь идет о спуске по шкале в случае тепла.

3. Тепло как деградировавшая форма энергии. — Мы видели, что тепловая энергия не превращается непосредственно в химическую энергию. Существует еще одно ограничение в случае этой тепловой энергии, если мы изучаем законы, управляющие циркуляцией и превращениями тепловой энергии; и самое важное проистекает из невозможности транспортировки ее от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой. В целом, и из-за этих ограничений, тепловая энергия является несовершенной разновидностью универсальной энергии, или, как называют ее английские физики, деградировавшей формой.

4. Простые превращения электрической энергии. Ее посредническая роль. — С другой стороны, электрическая энергия представляет собой совершенную и бесконечно выгодную форму этой же универсальной энергии, и это объясняет огромное развитие ее промышленных применений менее чем за столетие. Дело не в том, что она лучше известна, чем другие, по своей природе и секрету своего действия. Напротив, споров о ее природе больше, чем когда-либо. Для одних электричество, которое переносится и распространяется со скоростью света, является реальным потоком эфира, как учил отец Секки, сравнивавший его с током воды в трубе. Оно совершало бы свою работу точно так же, как вода на мельнице совершает свою работу, протекая через колесо или турбину. Электричество, как и вода в данном случае, было бы не энергией самой по себе, а средством транспортировки энергии.

Для других, таких как Клаузиус, Герц и Максвелл, это не так; электрический ток не является переносом энергии. Это состояние эфира особого, специфического рода, периодически производимое (электрическое колебание) и распространяющееся со скоростью порядка скорости света.

Как бы то ни было, то, что составляет существенную особенность электрической энергии и что определяет ее ценность, заключается в том, что она является несравненным агентом превращения. Любая известная форма энергии может быть преобразована в нее, и наоборот, электрическая энергия может быть с величайшей легкостью превращена во все другие виды энергии. Эта крайняя приспособляемость отводит ей роль посредника между другими, менее податливыми агентами. Механическая энергия, например, с трудом поддается превращению в свет, то есть в световую энергию (разновидность тепловой энергии). Падение воды нельзя непосредственно использовать для целей освещения. Механическая работа этого падения, которая не может быть использована в ее нынешнем виде, служит для приведения в движение в промышленном освещении установок, электрических машин и динамо-машин, которые питают лампы накаливания. Механическая работа превращается в электрическую энергию, а она, в свою очередь, — в тепловую или световую энергию. Электричество здесь сыграло роль полезного посредника.

Последняя часть энергетики должна быть посвящена изучению общих принципов этой науки. Этих принципов два: принцип сохранения энергии, или принцип Майера, и принцип превращения энергии, или принцип Карно. Таким образом, учение об энергии сводит к двум фундаментальным законам множество законов, часто называемых «общими», которым подчиняется естествознание.

§ 7. Принцип сохранения энергии.

Во всем, что предшествует, принцип сохранения вмешивался на каждом шагу. Фактически, сама идея энергии связана с существованием этого принципа. Мы впервые обнаруживаем эту идею в работах математиков-философов, которые заложили основы механики: Ньютона, Лейбница, д'Аламбера и Гельмгольца; или физиков-индуктивников, таких как лорд Кельвин. Его экспериментальное доказательство, намеченное Марком Сегеном и Р. Майером, принадлежит Кольдингу и Джоулю.

Он независим от кинетической теории. — Закон Майера гласит, что энергия неразрушима; что вся феноменальность есть не что иное, как превращение энергии из одной формы в другую и что это превращение происходит либо при равных значениях, либо, скорее, при определенной скорости эквивалентности. Это происходит, когда тепловая энергия превращается в механическую (эквивалент 425). Эта скорость эквивалентности устанавливается исследованиями физиков для каждой категории энергии.

Следует заметить, что этот закон и эта теория энергии, которые всегда представляются авторами элементарных книг как следствие кинетической теории, совершенно от нее независимы. В предыдущих строках мы даже не упоминали ее названия. Мы не предполагали, что все явления — это движения или превращения движений, будь то ощутимые или вибрационные; мы не утверждали, что то, что переходит от одного феноменального определения к другому, было живой силой (vis viva) движения, как это имеет место при ударе упругих тел. Несомненно, кинетическая теория дает нам очень яркий образ этих истин, которые независимы от нее; но она может быть ложной, а теория энергии, которая предполагает минимум возможных гипотез, все равно оставалась бы истинной.

Он содержит множество других принципов. — Принцип сохранения энергии содержит большое количество самых общих принципов науки. Можно без особого труда показать, что, например, он содержит принцип инерции материи, сформулированный Галилеем и Декартом; принцип равенства действия и противодействия, принадлежащий Ньютону; и даже принцип сохранения материи, или, скорее, массы, принадлежащий Лавуазье. И, наконец, он содержит экспериментальный закон эквивалентности, связанный с именем английского физика Джоуля, из которого можно вывести закон Гесса и принцип начального и конечного состояний, которыми мы обязаны Бертоло.

Он включает в себя закон эквивалентности. — Здесь мы можем ограничиться тем, что закон сохранения энергии предполагает существование отношений эквивалентности между различными разновидностями. Определенное количество данной энергии, измеряемое, как мы видели, произведением двух факторов, эквивалентно определенному фиксированному количеству совершенно другой формы энергии, в которую она может быть превращена. Законы, управляющие энергетическими превращениями, поэтому содержат, как с качественной, так и с количественной точек зрения, все связи явлений вселенной. Изучение этих законов в деталях — это задача, которую физика должна взять на себя.

Превращение одних форм энергии в другие посредством эквивалентов — это лишь возможность. На самом деле оно подвержено всякого рода ограничениям, из которых наиболее важные обусловлены вторым принципом.

§ 8. Принцип Карно. Его общность.

Второй фундаментальный принцип — это принцип превращений равновесия, или условий обратимости, или, опять же, принцип Карно. Этот принцип, который впервые принял конкретную форму в термодинамике, получил очень широкое распространение. Он достиг такой степени общности, что современные физики-теоретики, такие как лорд Кельвин, Ле Шателье и другие, считают его универсальным законом физического, механического и химического равновесия.

Принцип Карно содержит, как показал Ж. Робен, принцип виртуальных скоростей д'Аламбера, и, по мнению современных физиков, как мы только что заметили, он содержит законы, свойственные физико-химическому равновесию. Применение этого принципа дает нам дифференциальные уравнения, из которых выводятся численные соотношения между различными энергиями или различными модальностями универсальной энергии.

Его характер. — Очень примечательно, что мы не можем дать общую формулировку этого принципа, который своей раскрывающей силой изменил облик физики. Это потому, что он является не столько законом в собственном смысле слова, сколько методом или способом интерпретации отношений различных форм энергии, и в особенности отношений тепла и механической энергии.

Превращение работы в тепло и наоборот. — Превращение работы в тепло осуществляется без труда. Например, ковка куска железа на наковальне может довести его до красного каления. Снаряд, проходящий сквозь броневую плиту, нагревается и плавит и испаряет металл вокруг проделанного им отверстия. Используя механическое действие в форме трения, всю энергию можно превратить в тепло.

Обратное превращение тепла в работу, напротив, не может быть полным. Лучший двигатель, который мы можем себе представить, и тем более лучший, который мы можем реализовать, может превратить лишь треть или четверть тепла, которое ему подается.

Это чрезвычайно важный факт. Он имеет неоценимое значение для натурфилософии и может быть поставлен в один ряд с величайшими открытиями.

Высшие и деградировавшие формы энергии. — О них мы можем составить представление, различая среди форм универсальной энергии высшие формы и низшие или деградировавшие формы. Здесь мы имеем принцип деградации энергии на испытании, и его можно рассматривать как частный аспект второго принципа энергетики, или принципа Карно. Механическая энергия — это высшая форма. Тепловая энергия — это низшая форма, деградировавшая форма, и такая, которая имеет степени в своей деградации. Высшая энергия, в общем, может быть полностью превращена в низшую энергию; например, работа в тепло: склон легко спускать, но трудно повернуть назад; низшая энергия может быть лишь частично превращена в высшую энергию, и доля, таким образом используемая, зависит от определенных условий, на которые принцип Карно пролил значительный свет.

Таким образом, хотя теоретически тепловая энергия тела может иметь свой эквивалент в механической энергии, полное превращение осуществимо только от последней к первой, а не от первой к последней. Это обусловлено состоянием тепловой энергии, которое называется температурой. Одно и то же количество тепловой энергии, тепла, может быть накоплено в одном и том же тепловом теле при разных температурах. Если это количество тепловой энергии находится в очень горячем теле, мы можем использовать большую его часть; если оно находится в относительно холодном теле, мы можем превратить в механическую работу лишь малую его часть. Таким образом, ценность энергии, то есть ее способность быть превращенной в высшую и более полезную форму, зависит от температуры.

Способность к превращению зависит от температуры. — Превращение тепла в работу предполагает два тела с разными температурами, одно теплое, другое холодное; котел и конденсатор. Каждая тепловая машина переносит определенное количество тепла из котла в конденсатор, и то, что не переносится таким образом, превращается в работу. Этот остаток составляет лишь малую долю, четверть или, самое большее, треть используемого тепла, и это в теоретически совершенной машине, в идеальной машине.

Этот выход, эта используемая доля зависит от падения температуры с более высокого уровня на более низкий, точно так же, как работа турбины зависит от высоты водопада, который проходит через нее. Но она также зависит от условий этого падения, от побочных потерь на излучение и проводимость. Однако Карно показал, что выход одинаков и является максимальным для одного и того же падения температуры, независимо от рабочего агента (пар, горячий воздух и т. д.) и независимо от машины — при условии, что этот агент, это вещество, которое работает, не подвергается побочным потерям, что оно никогда не находится в контакте с телом, имеющим температуру, отличную от его собственной, — или, опять же, что оно соединено только с телами, непроницаемыми для тепла.

Это принцип Карно в одной из его конкретных форм.

Машина, которая реализует это условие, что агент (пар, спирт, эфир) находится в отношении, на всех фазах своего функционирования, с телами, которые не могут ни забрать у него тепло, ни отдать ему тепло, является обратимой машиной. Такая машина совершенна. Доля тепла, которую она превращает в движение, постоянна; она максимальна; она не зависит от двигателя, от его органов, от агента: она точно выражает трансформируемость теплового агента в механический агент при данных условиях.

Деградация и восстановление энергии. — Доля, которая не была использована, та, что переносится в конденсатор при более низкой температуре, является деградировавшей. Она может быть использована только новым агентом, в новой машине, в которой котел имеет точно такую же температуру, как конденсатор в первой машине, а новый конденсатор имеет более низкую температуру, и так далее. Доля используемой энергии, таким образом, продолжает уменьшаться. Ее использование требует условий, которые все труднее реализовать. Тепловая энергия теряет свой потенциал и свою ценность и все больше деградирует по мере того, как ее температура приближается к температуре окружающей среды.

Деградировавшая энергия теоретически сохранила свою эквивалентную ценность, но практически она неспособна к превращению. Однако в физике показано, что ее можно поднять и восстановить на исходном уровне. Но для этого должна быть использована и деградирована другая энергия в ее пользу.

Конец вселенной. — То, что мы только что видели в отношении тепла и движения, в некоторой степени верно для всех других форм энергии, как показал лорд Кельвин. Принцип деградации энергии очень общий. Каждое проявление природы — это энергетическое превращение. В каждом из этих превращений происходит деградация энергии, то есть некоторая доля понижается и становится менее легко трансформируемой. Таким образом, энергия вселенной все больше и больше деградирует; высшие формы опускаются до тепловой формы, причем последняя увеличивается при температурах, которые становятся все более и более однородными. Конец вселенной, с этой точки зрения, был бы тогда единством (тепловой) энергии при однородности температуры.

Важность идеи энергии в физиологии. — Я сказал, что применение принципа Карно дало численные соотношения между различными энергетическими превращениями.

Наука о живых существах еще не достигла той точки развития, при которой для нас было бы возможно получить ее численные соотношения. Однако рассмотрение энергии и принципа сохранения изменило взгляд физиологии на многие вопросы, которые имеют высочайшую важность.

Определение источников, из которых растения и животные черпают свои жизненные энергии; опосредованное превращение химической энергии в животное тепло при питании или в движение при мышечном сокращении; химическая эволюция пищи; изучение растворимых ферментов — все эти вопросы имеют значительную важность, когда мы хотим понять механизмы жизни. Поэтому они являются отделами физиологической энергетики, в которых уже достигнуты большие успехи.

ГЛАВА II. ЭНЕРГИЯ В БИОЛОГИИ.

§ 1. Энергия в живых существах. — § 2. Первый закон биологической энергетики: — Все жизненные явления являются энергетическими превращениями. — § 3. Второй закон: — Происхождение жизненной энергии — в химической энергии. Функциональная активность и разрушение. — § 4. Третий закон: — Конечная форма энергетического превращения у животного — тепловая энергия. Тепло — это экскрет.

О теории энергии думали и использовали ее в физиологии до того, как она была введена в физику, в которой она оказала такое необычайное влияние. Роберт Майер был физиком и врачом. Гельмгольц был одинаково сведущ в физиологии и в физике. С самого начала оба видели в этой новой идее мощный инструмент физиологических исследований. Том, в котором Роберт Майер изложил в 1845 году свои замечательные взгляды на органическое движение в связи с питанием, и комментарий Гельмгольца не оставляют у нас сомнений в этом отношении. Эссе о механическом эквиваленте тепла, носящее более специфически физический характер, появилось шестью годами позже более ранней работы.

Отношения между энергетикой и биологией. — Теория энергии, следовательно, лишь возвращается в свою колыбель; и в эту колыбель она возвращается со всей санкцией физического доказательства, как самая общая теория, когда-либо предложенная в натурфилософии, и теория, наименее обремененная гипотезами. Она сводит все частные законы к двум фундаментальным принципам — принципу сохранения энергии, который содержит принципы Галилея и Декарта, Ньютона, Лавуазье, закон Джоуля, закон Гесса и принцип начального и конечного состояний Бертоло; а также принципу Карно, из которого выводятся законы физико-химического и химического равновесия. Эти два принципа, следовательно, суммируют все естествознание. Они выражают необходимую связь всех явлений вселенной, их непрерывную генетическую связь и их непрерывность.

A priori было бы мало вероятности, что доктрина, столь универсальная и столь тщательно проверенная в физическом мире, могла бы быть ограничена и, таким образом, бесполезна для живого мира. Такое предположение противоречило бы научному методу, который всегда стремится к обобщению и объяснению элементарных законов. Человеческий разум всегда действовал так: он применял к неизвестному порядку живых явлений самые общие законы современной физики.

Это применение было признано законным и оправдано экспериментом всякий раз, когда речь шла о законах или о действительно фундаментальных или элементарных условиях явлений. С другой стороны, однако, оно было неудачным, когда останавливалось на вторичных характеристиках. Когда мы теперь признаем подчинение живых существ этим общим законам энергетики, мы следуем традиционному методу. Нет сомнения, что это применение законно и что эксперимент оправдает его a posteriori.

Поэтому я допущу, в качестве предварительного постулата, последствия которого должны будут в конечном итоге быть оправданы, что живой и неживой мир одинаково показывают нам не что иное, как превращения материи и превращения энергии. Слово «явление» не будет иметь иного значения, каковы бы ни были обстоятельства, при которых это явление происходит. Разнообразные проявления, которые переводят активность живых существ, таким образом, соответствуют превращениям энергии, превращениям одной формы в другую, в соответствии с правилами эквивалентности, установленными физиками. Эта концепция может быть сформулирована следующим образом: явления жизни имеют такое же право называться энергетическими метаморфозами, как и другие явления природы.

Этот постулат является фундаментом биологической энергетики. Может быть полезно дать некоторые объяснения относительно значения, происхождения и сферы действия этого утверждения.

Биологическая энергетика — это не что иное, как общая физиология, сведенная к принципам, которые являются общими для всех физических наук. Роберт Майер и Гельмгольц дали лучшее описание этой науки и установили ее границы, определив ее как «изучение явлений жизни, рассматриваемых с точки зрения энергии».

§ 1. Энергия, действующая в живых существах. Обычные или физические энергии. Жизненные энергии.

Нашей первой задачей будет определить и перечислить энергии, действующие в живых существах; определить их более или менее легкие превращения из одной в другую, выявить общие законы, которые управляют этими превращениями, и, наконец, применить их к детальному изучению явлений. Эта программа может быть разделена на четыре части.

В физическом мире специфические формы энергии не многочисленны. Когда мы упомянули механическую, химическую, лучистую (тепловую и световую) энергии, электрическую энергию, с которой смешивается магнитная энергия, мы исчерпали каталог природных агентов.

Но закрыт ли этот список навсегда? Включены ли в этот список жизненные энергии? Это первые вопросы, которые мы должны задать себе.

Ятро-механическая школа на основаниях a priori дает утвердительный ответ. Несомненно, в живом организме есть много проявлений, которые являются чисто физическими проявлениями известных энергий: механической, химической, тепловой и т. д. Но все ли проявления живого существа такого порядка? Все ли они отныне сводимы к категориям и разновидностям энергии, которые исследуются в физике? Это претензия механической школы. Но претензия опрометчива. Наш фундаментальный постулат утверждает в принципе, что универсальная энергия проявляется в живых существах; но, по правде говоря, нет оснований для утверждения, что она не принимает особые формы в зависимости от обстоятельств, свойственных условиям, при которых они производятся.

Эти особые формы энергии, проявляющиеся в условиях, подходящих для живых существ, пополнили бы список, составленный физиками. И это был бы не первый случай расширения такого рода. История науки записывает много примечательных случаев. Едва прошло столетие с тех пор, как мы впервые услышали об электрической энергии. Это открытие в мире энергии, которое произошло, так сказать, на наших глазах, агента, который играет такую большую роль в природе, явно оставляет дверь открытой для других сюрпризов.

Мы поэтому допустим, что в живых существах могут действовать другие формы энергии, чем те, которые мы уже знаем в физическом мире. Эта оговорка позволила бы нам сразу обнаружить существенные характеристики, благодаря которым жизненные явления отныне сводятся к универсальной физике, и чисто формальные различия, все еще отличающие их.

Если в живых существах действительно существуют особые энергии, наш монистический постулат заставляет нас утверждать, что эти энергии гомогенны остальным и что они не отличаются от них больше, чем они отличаются между собой. Вероятно, когда-нибудь они будут обнаружены вне живых тел, если материальные условия (которые всегда можно представить) будут реализованы внешне по отношению к ним. И если мы должны признать, что особенность среды такова, что эти формы должны оставаться бесконечно специфичными для живых существ, мы можем с полной уверенностью утверждать, что эти особые энергии не подчиняются особым законам. Они подчиняются двум фундаментальным принципам Роберта Майера и Карно. Они обмениваются согласно фиксированным законам с другими физическими формами энергий, известными в настоящее время.

Подводя итог, мы должны установить три категории в формах энергии, которые выражают явления жизненности.

Во-первых, большинство этих энергий — это те, которые уже были изучены и признаны в общей физике. Это те же самые энергии: химическая, тепловая, механическая, с их характеристиками изменчивости, их списками эквивалентов и их актуальными и потенциальными состояниями.

Во-вторых, может случиться, и вероятно случится, как это произошло в прошлом веке в случае с электричеством, что будет открыта какая-то новая форма энергии, принадлежащая как универсальному порядку, так и живому порядку. Это будет завоеванием общей физики, так же как и биологии.

И, наконец, мы можем строго и предварительно допустить последнюю категорию жизненных энергий в собственном смысле слова.

Трудно придать большую точность идее жизненных энергий в собственном смысле слова.

Будет легче измерить их с помощью эквивалентов, чем указать их природу. Кроме того, это обычное правило в случае физических агентов. Мы можем измерить их, хотя мы не знаем, что они такое.

Характеристики жизненных энергий. — Мы видим, почему мы не можем с точностью, a priori, указать природу жизненных энергий. Во-первых, они выражаются тем, что происходит в тканях в состоянии активности, и это в настоящее время не может быть идентифицировано с известными типами физических, химических и механических явлений. Это первая, внутренняя причина того, что их нельзя легко различить, поскольку то, что происходит, не отличается феноменальными проявлениями, к которым мы привыкли.

Существует вторая, внутренняя причина. Эти жизненные явления являются промежуточными, как мы увидим, между проявлениями известных энергий. Они лежат между химическим явлением, которое всегда им предшествует, и тепловым явлением, которое всегда за ними следует. Они, так сказать, теряются из виду между проявлениями, которые поражают наше внимание. Вообще говоря, промежуточные энергии часто ускользают от нас даже в физике. Ясно видны только крайние проявления. В присутствии организма мы находимся, так сказать, на электрической осветительной станции, которая работает от падения воды, и поначалу мы видим только механическую энергию падающей воды, турбины и динамо-машины в работе, и световую энергию ламп, которые дают свет. Электрическая энергия, посредник, который имеет лишь преходящее существование, не навязывает себя нашему вниманию.

И поэтому жизненные энергии по этой двоякой причине, внутренней и внешней, не являются легко заметными. Чтобы выявить их, требуется тщательный анализ физиологов. Это акты, в большинстве случаев безмолвные и невидимые, которые мы едва ли распознали бы, если бы не их эффекты, после того как они завершились в знакомых феноменальных формах. Это, например, то, что происходит в мышце в процессе сокращения, в нерве, несущем нервный импульс, в секретирующей железе. И это то, что составляет различные формы энергии, которые мы называем жизненными свойствами. М. Шово и М. Лоланье используют фразу «физиологическая работа», чтобы отличить их. «Жизненная энергия» была бы предпочтительнее. Она лучше выражает аналогию этой особой формы с другими формами универсальной энергии; она помогает нам лучше понять, что мы должны отныне рассматривать ее как обмениваемую посредством эквивалентов с энергиями физического мира, точно так же, как они обмениваются друг с другом.

§ 2. Первый закон биологической энергетики.

Легко понять, после этих замечаний, значение и сферу действия этого утверждения, которое содержит первый принцип биологической энергетики, — а именно, что явления жизни имеют такое же право называться энергетическими метаморфозами, как и другие явления природы.

Необратимость жизненных энергий. — Однако есть одна характеристика жизненных энергий, которая заслуживает самого пристального внимания. Их превращения имеют направление, которое в некоторой мере неизбежно. Они спускаются по склону, по которому никогда не поднимаются обратно. Они кажутся необратимыми. Оствальд справедливо настаивал на этой фундаментальной характеристике, которая, несомненно, не является характеристикой всех явлений живого существа без исключения, но которая, безусловно, является характеристикой самых существенных явлений. В организмах существуют обратимые явления; существуют энергетические превращения, которые могут происходить от одной формы энергии к другой или наоборот. Но самые характерные явления жизненности не действуют таким образом. Мы вскоре увидим, что большинство функциональных физиологических актов начинаются с химического и заканчиваются тепловым действием. Серия энергетических превращений происходит в неизбежном направлении, от химической к тепловой энергии. Порядок последовательности обычных энергий, таким образом, определяется в машине организма, и, следовательно, условиями машины. Порядок превращения жизненных энергий еще более строго регламентирован, и явления жизни развиваются от детства к зрелым годам, а оттуда к старости, без возможности возврата.

Законов биологической энергетики три. Прежде всего, существует фундаментальный принцип, который мы только что развили и который, так сказать, установлен a priori; и существуют два других принципа, установленные экспериментом и суммирующие, так сказать, множество известных физиологических эффектов. Из этих двух экспериментальных законов один относится к происхождению, а другой — к завершению энергий, развивающихся в живых существах.

§ 3. Второй закон биологической энергетики.

Происхождение жизненной энергии. — Жизненные энергии имеют свое происхождение в одной из внешних или обычных энергий — не в любой, какую мы выберем, как можно было бы предположить, а только в одной: химической энергии. Третий принцип покажет нам, что они заканчиваются другой энергией или несколькими другими, также полностью фиксированными.

Из этого следует, что явления жизни должны представляться нам циркуляцией энергии, которая, начинаясь из одной фиксированной точки в физическом мире, возвращается в этот мир через несколько точек, также фиксированных, после преходящего прохождения через животный организм.

Или, точнее, это транспозиция из царства материи в мир энергии идеи жизненного вихря Кювье и биологов. Они определяли жизнь по ее самому постоянному свойству — питанию. Питание было именно этим током материи, который организм получает извне путем питания и который он снова выбрасывает путем экскреции; и даже кратковременное прерывание которого, если оно полное, было бы сигналом смерти. Цикл энергии является точным аналогом этого цикла материи.

Вторая истина, которой учит нас общая физиология, истина, которую физиология узнала из эксперимента, формулируется следующим образом: поддержание жизни не потребляет никакой ее энергии. Она заимствует из внешнего мира всю энергию, которую расходует, и заимствует ее в форме потенциальной химической энергии. Это перевод на язык энергетики результатов, полученных в физиологии животных за последние пятьдесят лет. Не требуется никаких комментариев, чтобы показать важность такой истины. Она раскрывает происхождение животной активности. Она раскрывает источник, из которого исходит та энергия, которая в какой-то момент своих превращений в животном организме будет жизненной энергией.

Primum movens жизненной активности является, следовательно, согласно этому закону, химическая энергия, накопленная в непосредственных принципах организма.

Попробуем на мгновение проследить эту энергию через организм и уточнить обстоятельства ее превращений.

Органическая функциональная активность и разрушение резервных веществ. — Предположим тогда, для этой цели, что наше внимание направлено на данную ограниченную часть этого организма, на определенную ткань. Давайте захватим ее, так сказать, наблюдением в данный момент и проведем исследование функциональной активности, начиная с этого условного момента. Эта функциональная активность, как и все другие жизненные явления, будет результатом, как мы только что объяснили, превращения потенциальной химической энергии, содержащейся в материалах, хранящихся в резерве в ткани. Это наш первый ощутимый факт. Эта энергия, будучи высвобожденной, предоставит жизненному действию средства, с помощью которых оно может быть продлено.

Существует, следовательно, функциональное разрушение. Существует, в начале функционального процесса и в силу необходимого эффекта этого самого процесса, высвобождение химической энергии; и это может произойти только путем разложения непосредственных принципов ткани, или, как мы можем сказать, путем разрушения органического материала. Клод Бернар настаивал на этом соображении, что жизненная функция сопровождается разрушением органического материала. «Когда производится движение, когда сокращается мышца, когда проявляются воля и чувствительность, когда осуществляется мышление, когда секретирует железа, тогда вещество мышц, нервов, мозга, железистой ткани дезорганизуется, разрушается и потребляется». Энергетика позволяет нам уловить глубоко скрытую причину этого совпадения между химическим разрушением и функциональной активностью, существование которой Клод Бернар интуитивно подозревал. Часть органического материала разлагается, химически упрощается, становится менее сложной и теряет в этом своего рода спуске химическую энергию, которую она содержала в своем потенциальном состоянии. Именно эта энергия становится самой текстурой жизненного явления.

Ясно, что резерв энергии, таким образом израсходованный, должен быть заменен, потому что организм остается в равновесии. Питание обеспечивает это.

Как оно обеспечивает это? Это вопрос, который заслуживает детального рассмотрения. Мы не можем попутно рассмотреть его полностью; мы можем лишь указать его основные черты.

Как поддерживается запас резервных веществ. — Мы знаем, что пища не заменяет непосредственно резерв энергии, потребленный функциональной активностью. Не ее потенциальная химическая энергия заменяет, чисто и просто, энергию, приведенную в действие, потребленную или, что еще лучше, превращенную в активном органе или ткани. Пища в том виде, в каком она вводится, инертная пища, на самом деле не занимает свое место «как есть», не претерпевая изменений в этом органе и этой ткани, чтобы восстановить status quo ante.

Прежде чем построить ткань, она претерпит различные модификации в пищеварительном аппарате. Она также претерпит изменения в системе кровообращения, в печени и в самом органе, который мы рассматриваем. Именно после всех этих изменений происходит ассимиляция. Она найдет свое место и тогда перейдет в состояние резерва.

Пища, переваренная, модифицированная и, наконец, включенная как неотъемлемая часть в ткань, в которой она будет израсходована, находится, следовательно, в новом состоянии, отличающемся более или менее от ее состояния, когда она была проглочена. Она является частью живой ткани в состоянии конститутивного резерва. Ее потенциальная химическая энергия не та же самая, что у введенной пищи. Она может отличаться от нее весьма заметно вследствие внезапных изменений.