Сади Карно, гениальный неудачник

О короткой жизни Сади Карно (Nicolas Léonard Sadi Carnot) известно довольно мало. Родился он 1 июня 1796 года в Париже, в семье блестящего общественного и военного деятеля Лазара Карно. Отец дал сыну имя в честь персидского поэта XIII века Саади, которым пылко восхищался. Это о нем писал Сергей Есенин: «Ты сказала, что Саади целовал лишь только в грудь. Подожди ты, бога ради, обучусь когда-нибудь!»

К моменту рождения сына Лазар (по прозвищу Великий Карно) был в самом расцвете сил и на пике своей карьеры. Он был убежденным бонапартистом, в 1800 году занимал в правительстве Наполеона пост военного министра, а спустя 15 лет в период «Ста дней» исполнял обязанности министра внутренних дел, за что и поплатился. После свержения Наполеона Лазар был выслан из Франции и скитался по Европе, недолго пожил в Бельгии и Польше и в конце концов обосновался в Германии. На родину он так никогда и не вернулся.

Забавен рассказ о детской стычке Сади Карно со всемогущим Бонапартом. Когда Сади был еще совсем мал, его отец частенько приводил сына к Жозефине, первой жене Наполеона, которая очень к нему привязалась. Однажды она с приближенными дамами каталась на лодке по пруду, а стоявший на берегу император развлекался тем, что бросал в воду камешки, стараясь обрызгать вельможных дам. Замечание сделать никто не осмеливался, как вдруг к нему бросился четырехлетний Сади и потребовал прекратить безобразие. Якобы Наполеон рассмеялся, смутился и, посрамленный, поспешно ретировался.

Помимо государственных дел старший Карно находил время и для занятий наукой. Он увлекался математикой, которой его обучал один из крупнейших французских математиков того времени Гаспар Монж, и даже написал в 1873 году большую научную работу «О машинах вообще» (Essai sur les machines en général).

Позаботился он и об образовании сыновей — старшего Сади и младшего Лазара Ипполита, ставшего впоследствии видным политическим деятелем и сенатором. Поначалу он учил их сам — математике, точным наукам, языкам и музыке. Лишь в 15 лет Сади отправили в лицей, чтобы он мог как следует подготовиться к поступлению в одно из самых престижных высших учебных заведений Франции — Политехническую школу. После года подготовки он без особого блеска сдал вступительные экзамены, показав 24-й результат из 179 кандидатов.

Политехническая школа отличалась очень сильным составом преподавателей. Например, механику преподавал Дени Пуассон, а дифференциальное исчисление и теорию механизмов — Франсуа Араго. Видимо, домашнее образование и краткий лицейский курс оказались недостаточными для успешной учебы, потому что Сади были наняты репетиторы — Алексис Пти (по физике) и Пьер-Луи Дюлонг (по химии). Все упомянутые выше ученые внесли очень крупный вклад в науку, а репетиторы Карно теперь известны каждому физику как авторы закона Дюлонга-Пти.

Была у Политехнической школы еще одна особенность — она представляла собой военизированное учебное заведение. По ее окончании выпускники получали младшее офицерское звание, после чего могли направляться в воинские части для прохождения службы (в основном как строители укреплений) либо продолжить дальнейшее обучение в другом заведении. Сади три года проучился в Высшей школе в Меце, а затем в качестве специалиста-фортификатора в чине лейтенанта отправился в отдаленный гарнизон.

Служба была нудной и утомительной. Тщательно продуманные и прорисованные планы фортификационных сооружений никто и не думал воплощать в жизнь, а потому бóльшую часть времени Сади проводил в отпусках без сохранения жалованья, пытаясь добиться перевода в Париж. В конце концов ему это удалось, и с января 1819 года он приступает к службе при французском генеральном штабе. Но и эта служба была чисто номинальной, потому как почти всё время он проводил в отпусках, но не бездельничал, а посещал различные лекции в Сорбонне и во Французском коллеже, где прослушал курсы прикладной химии и экономики промышленности.

В один из своих многочисленных отпусков в июне 1821 года Сади отправился навестить отца, поселившегося к тому времени в Магдебурге. Видимо, Карно-старший, всегда интересовавшийся различными механизмами, рассказал сыну о местной новинке — первой в Германии паровой машине, построенной в приютившем его городе тремя годами раньше. С этого времени Сади начинает размышлять над принципами работы тепловых машин и в 1824 году публикует единственную работу, обессмертившую его имя.

По возвращении в Париж он еще целых семь лет числился офицером генштаба, пока наконец в мае 1828 года не вышел в отставку, но французская армия не много потеряла — с момента окончания школы в Меце Сади в общей сложности провел в войсках не более 15 месяцев. В армейском жаловании Карно не нуждался — его доля наследства, полученного от деда по материнской линии, позволяла ему вести довольно безбедное существование, и он продолжал усиленно заниматься науками, хотя ничего не публиковал.

Сади не отличался отменным здоровьем, а напряженный труд усугубил его состояние. В начале августа 1832 года у него развилось состояние, называвшееся тогда «манией». Видимо, произошло психическое расстройство. Его поместили в больницу, где спустя три недели Сади скончался. Ему было всего 36 лет.

Согласно некоторым источникам, он стал буен, его приходилось держать в смирительной рубашке. В больничном журнале регистрации пациентов сохранилась запись: «От мании излечен, умер 24 августа от холеры». Принято считать, что по тогдашней практике борьбы с холерой его вещи, в том числе весь архив, сожгли. Однако здесь возникают некоторые сомнения, ведь умер он не в своей парижской квартире, где хранились все его бумаги, а в лечебнице, так что уничтожать его домашний архив вроде бы не было необходимости.

Как впоследствии оказалось, сгорело не всё. Кое-что сохранил его брат Ипполит, опубликовавший свои воспоминания о Сади и его заметки через 46 лет после его смерти. Любопытно, зачем ему понадобилось ждать столько лет?

Французам имя Сади Карно известно из учебников истории, но в них написано не об основателе термодинамики, а о его племяннике, сыне Ипполита, Мари Франсуа Сади Карно, ставшем пятым президентом Франции в Третьей республике и погибшем от руки итальянского анархиста. О его дяде, в честь которого тот получил имя Сади, похоже, помнят лишь физики.

Что же именно совершил в науке Сади Карно?

Единственная опубликованная им 128-страничная работа именовалась «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». (Пожалуй, правильнее было бы сказать не «размышления», а «рассуждения», но мы будем придерживаться исторически привившегося названия.) Она была напечатана в 1824 году в количестве 600 экземпляров на средства автора, что обошлось ему в 459 франков 55 сантимов.

К середине 1820-х годов паровые машины уже вовсю использовались в Англии, в основном для откачивания воды из шахт. Они постоянно совершенствовались, но чисто опытным путем, методом проб и ошибок. О физических свойствах водяного пара и некоторых газов кое-что уже было известно, но в целом основы физики, химии, не говоря уже об электрических и магнитных явлениях, только закладывались. К точным наукам, пожалуй, можно было отнести лишь механику Ньютона.

О теплоте тоже было довольно смутное представление. Считалось, что это особая, подобная жидкости субстанция под названием «теплород», которая может перетекать от теплого тела к холодному, но ее общее количество всегда остается неизменным (что неверно). Подобно тому, как поток воды, сбегающий с кручи, может вертеть мельничное колесо, производя полезную работу, поток теплорода, текущий от горячего тела к холодному, якобы приводит в действие паровую машину. Вот на такой аналогии и основывался Карно, пытаясь разобраться в теории тепловых машин.

Он писал: «Можно с достаточным основанием сравнить движущую силу тепла с силой падающей воды… Движущая сила падающей воды зависит от высоты падения и количества воды; движущая сила тепла также зависит от количества употребленного теплорода и зависит от того, что можно назвать, и мы на самом деле и будем называть высотой его падения, т. е. разностью температур тел, между которыми происходит обмен теплорода».

Хотя эта аналогия неверна, она всё же поз­волила Карно получить правильный результат. Он поставил перед собой задачу исследовать, «ограничена или бесконечна движущая сила тепла, существует ли определенная граница, которую природа вещей мешает перешагнуть каким бы то ни было способом, или, напротив, возможны безграничные улучшения». Этот вопрос был в то время совершенно новым, и нужно было найти подход для его решения.

Для этого Карно придумал «идеальную тепловую машину», которая работала по циклу, позднее названному его именем. Он установил, что «повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы. Обратно, повсюду, где можно затратить эту силу, возможно образовать разность температур, возможно нарушить равновесие теплорода». То есть его машина была обратима.

Кроме того, Карно установил фундаментальный факт: «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми, в конечном счете, производится перенос теплорода». Пусть никакого теплорода нет, но вывод этот остается совершенно верным. Разве это не поразительное достижение для начала XIX века?

«Размышления о движущей силе огня…» по выходе в свет фурора не произвели. Хотя редактор одного из научных журналов отнесся к работе благосклонно и даже устно доложил ее на заседании Французской академии наук, последствий это не возымело. Никаких откликов на нее не последовало. Если у Сади и были надежды на то, что его работу заметят и оценят по достоинству, то они явно не оправдались. Может быть, это объясняет, почему, продолжая упорно трудиться, он больше ничего не опубликовал.

Вероятно, Карно счел себя неудачником. И в самом деле: в школе он не блистал, в армии ничем себя не проявил, попробовал себя в науке — и наткнулся на глухую стену молчания. Как тут было не отчаяться! И какой рази­тельный контраст с выдающимися успехами на военном, политическом и научном поприщах его отца, Великого Карно. Неудивительно, что у него развилась пресловутая «мания».

Однако после смерти Карно его труд все-таки заинтересовал ученых. Первым, в 1834 году, работу Сади оценил его соотечественник физик Эмиль Клапейрон, кстати, трудившийся тогда в России. Вернувшись во Францию, он переиздал ее, снабдив оригинальный текст подробными комментариями. Но главное — он изложил словесные рассуждения Карно на языке математики, благодаря чему они стали проще и понятнее широкому кругу физиков.

В начале 1840-х годов работа Карно с комментариями Клапейрона с подачи Джеймса Джоуля попала на глаза Уильяму Томсону (позднее он получил титул «Лорд Кельвин») — титану и непререкаемому классику физики XIX века. Ею также заинтересовался Рудольф Клаузиус.

В 1848 году Кельвин предложил свою знаменитую абсолютную шкалу температур, впоследствии получившую его имя. В заголовке статьи он прямо указал, что его шкала «основывается на теории Карно о движущей силе теплоты». Так идеи Карно в конце концов привели к созданию новой фундаментальной отрасли науки — термодинамики. Название этой науки принадлежит лорду Кельвину.

Но это произошло позже, а в 1845 году будущий лорд Кельвин, тогда безвестный студент 21 года от роду, оказался в Париже и обошел все книжные лавки в поисках «Размышлений…». Услышав имя Карно, торговцы с готовностью протягивали сборник статей Ипполита, его младшего брата, известного общественного деятеля. «О Сади Карно никто не слышал», — с грустью констатировал Кельвин.

Усилиями Клаузиуса и Кельвина идеи Карно получили среди физиков широкое распространение, и не желавшие отстать от времени провинциалы науки — американцы — решили перевести труд Сади на английский. Уничтожающая реакция Питера Гатри Тэйта, соратника лорда Кельвина, последовала незамедлительно. В рецензии, опубликованной в Nature в 1890 году, он разнес перевод в пух и прах и этим не ограничился: «Есть большие сомнения, нужно ли вообще переводить какие-либо научные работы с французского, немецкого, итальянского или латыни на английский. Если некто не в состоянии прочитать статьи в оригинале (что равносильно преступлению), то такой человек должен быть наказан». Суров был мистер Тэйт.

Впрочем, Тэйт отмечает: работа переводчика была затруднена тем, что рассуждения Карно в некоторых местах весьма тонки, а иногда и непонятны. И это действительно так. Дело в том, что во времена Сади Карно такие современные физические понятия, как работа, мощность или энергия еще не были определены, а потому каждый был волен использовать нужные термины как ему заблагорассудится. Даже закон сохранения энергии тогда еще не был установлен.

При внимательном изучении труда Карно у историков науки возникли сомнения, делал ли он различие между понятиями chaleur и calorique. В начале XX века было высказано предположение, что под первым понятием следует понимать не просто теплоту, а более строгое понятие «количество теплоты», а под вторым (понимавшимся ранее как теплород) то, что Клаузиус назвал «энтропией». Если бы это было так, то гений Карно засиял бы еще ярче — он предвосхитил бы глубокое понимание основ термодинамики, к которому пришли только много лет спустя. Как бы то ни было, похоже, все согласны с тем, что именно Сади Карно явился открывателем второго закона термодинамики, хотя и не отдавал себе в этом отчета.

Эйнштейн был настолько восхищен термодинамикой, что в конце жизни в автобиографических заметках писал: «Теория производит тем большее впечатление, чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область ее применения. Отсюда глубокое впечатление, которое произвела на меня классическая термодинамика. Это единственная теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута».

Так что Николя Леонар Сади Карно не был таким уж неудачником. Жаль только, что он об этом так и не узнал.

Виталий Мацарский

Для дальнейшего чтения

Бродянский В. М. Сади Карно — основатель термодинамики. М.: Физматлит, 2004.