Холодильник Эйнштейна

Сам Гиббс не изучал роль свободной энергии в биологии. Однако за пятьдесят лет, прошедших с публикации его статьи, загадки фотосинтеза и происходящего в животных обратного процесса, называемого клеточным дыханием, были раскрыты. Узнав из трудов Гиббса и его последователей, что переносы свободной энергии выступают движущей силой жизни, биохимики получили руководящий принцип для анализа чертовски сложных тонкостей клеточной химии.

Идеи Гиббса также оказались весьма значимыми для длительной дискуссии о витализме — теории, гласящей, что живые организмы и неживые предметы подчиняются разным физическим законам. Труды Германа Гельмгольца и других ученых серьезно ослабили поддержку витализма, но работа Гиббса нанесла теории сокрушительный удар. Концепция свободной энергии показала, что каждый химический процесс в каждой клетке каждого живого существа подчиняется законам физики. Никакой нужды в сверхъестественном или духовном не было. В лучах солнца содержалось достаточно энергии, чтобы питать прекрасные хитросплетения жизни на земле.

* * *

На протяжении нескольких лет после публикации главной работы Гиббса в 1878 году научное сообщество постепенно принимало его идеи. Он воздержался от предположений о строении вещества и молекул — и потому не спровоцировал споры. К несчастью, о Больцмане такого не скажешь. В последние десятилетия XIX века его научные воззрения втянули его в конфликт, который повредил его и без того хрупкой психике. Работа Гиббса невольно сыграла в этом свою роль.

Истоки спора лежали в философии феноменализма, которая укоренилась в немецкоязычном мире. Ее главным поборником был Эрнст Мах, профессор истории и философии естественных наук в Венском университете.

В молодости Мах был талантливым физиком-экспериментатором и сделал первые фотографии ударных волн, создаваемых телами, движущимися быстрее скорости звука, в связи с чем скорость звука теперь приравнивается к одному маху. К 1890-м годам он увлекся феноменализмом. Если не вдаваться в детали, феноменализм утверждает, что реальны лишь вещи, которые поддаются непосредственному чувственному восприятию. Приписывая физическую реальность тому, что подтверждается лишь косвенными свидетельствами, ученые, напротив, отступают от принципов науки. По мнению Маха, проблема работы Больцмана заключалась в том, что автор исходил из реальности молекул и атомов. Учитывая, что ни атомы, ни молекулы не поддаются чувственному восприятию, феноменалисты полагали, что говорить об их существовании нельзя. Это, в свою очередь, значило, что вся доктрина статистической механики, сформулированная Больцманом, вызывала сомнения. Предложенное им вероятностное объяснение увеличения энтропии ничего не стоило, если задействованные в нем объекты, а именно атомы и молекулы, не поддавались непосредственному наблюдению.

В то время к феноменализму склонялись многие ученые немецкоязычного мира, включая молодого Альберта Эйнштейна. В последующие годы он вспоминал, как идеи Маха натолкнули его на мысль, что пространство и время не имеют смысла в отсутствие линеек и часов для их измерения, а это, в свою очередь, послужило вдохновением для создания теорий относительности. Но Больцману пришлось заплатить высокую цену. Он оказался втянутым в утомительные споры о существовании атомов и молекул, которые, как он утверждал, пребывали в постоянном беспорядочном движении.

Применение феноменализма к термодинамике также предполагало обсуждение вопроса лишь с позиций наблюдаемых и измеряемых явлений — тепловых потоков, давления, объемов, температур и т. д. Это учение получило название “энергетизм”. Его сторонники полагали, что, хотя понятия атомов и молекул допускали некоторые математические фантазии, это все-таки не делало их реальными. И здесь ученые обращались к работе Джозайи Уилларда Гиббса.

Дело в том, что идеи Больцмана ставили условием существование молекул и атомов, в то время как Гиббс не делал подобных допущений. Вместо этого Гиббс исчерпывающе и точно описывал термодинамику исключительно на основе двух ее общепринятых начал. Столь чистый подход привлекал сторонников энергетизма. Один из них, молодой немецкий химик Вильгельм Оствальд, даже перевел статью Гиббса на немецкий. Для науки это было прекрасно, ведь Оствальд помог привлечь внимание европейцев к работе Гиббса, но для Больцмана — не так хорошо, поскольку сторонники энергетизма нашли аргументы в пользу того, что термодинамика не нуждается в гипотезе о существовании молекул и атомов.