Закон збереження енергії

Ви коли-небудь кидали м'яч і спостерігали, як він стрибає? Він відскакує, але ніколи не досягає тієї висоти, з якої ви його кинули. Куди поділася та маленька частинка висоти, та дрібка енергії? Або ви коли-небудь терли долоні в холодний день, щоб зігрітися? Ви створюєте тепло з руху. Як? Це тепло — енергія. Тихе гудіння вашого холодильника, світло від екрана, звук голосу друга — це все я, у дії. Століттями я була загадкою. Люди бачили ці зміни, що відбувалися скрізь, але не могли розгледіти невидиму нитку, що їх поєднувала. Вони думали, що енергія просто втрачається, зникаючи в нікуди. Але це було не так. Вона просто змінювала свій костюм.

Я — найфундаментальніше і непорушне правило Всесвіту. Моє ім'я — Закон збереження енергії. Я — ідея, принцип, що керує всім, від найдрібнішого атома до найбільшої галактики. Моє правило просте, але воно тримає космос укупі: енергія не може бути створена, і вона не може бути знищена. Вона може лише перетворюватися з однієї форми в іншу. Енергія м'яча, що стрибав, не зникла; вона перетворилася на крихітну кількість тепла від тертя об повітря та підлогу, а також на звук відскоку. Вона вся тут, просто в новій формі. Я дбаю про те, щоб енергетичні книги Всесвіту завжди були ідеально збалансовані.

Моя історія не почалася з одного спалаху прозріння. Це був повільний світанок, коли геніальні мислителі вловлювали мої проблиски протягом сотень років. Віками люди використовували мої принципи, не знаючи мого імені. Вони будували важелі та блоки, перенаправляючи власну енергію для підняття важких предметів. Вони розпалювали вогнища, перетворюючи збережену хімічну енергію в деревині на тепло і світло. Але вони не бачили єдиного правила, що пов'язувало все це. Перший справжній проблиск з'явився наприкінці 17-го століття від німецького філософа і математика на ім'я Готфрід Вільгельм Лейбніц. Він був зачарований рухомими об'єктами і запропонував ідею, яку назвав «vis viva», або «жива сила». Він стверджував, що ця сила в рухомій системі зберігається — революційна думка, що була раннім, неповним шепотом моєї справжньої природи.

Потім, у 1740-х роках, видатна французька інтелектуалка Емілі дю Шатле надала мені набагато чіткішого голосу. Вона була блискучим фізиком і математиком у часи, коли жінкам рідко надавали такі можливості. Вона взялася за монументальне завдання перекладу праць Ісаака Ньютона французькою, але не просто переклала їх. Вона додала власні важливі коментарі та виправлення. Вона кинула виклик ідеям того часу і, спираючись на роботу Лейбніца, припустила, що загальна кількість моєї енергії зберігається. Вона була однією з перших, хто чітко сформулював різницю між потенційною енергією — енергією, яку щось має через своє положення, як камінь, піднятий високо, — і кінетичною енергією, енергією руху. Вона допомогла закласти той самий фундамент, на якому пізніші вчені збудували повне розуміння мене.

19-те століття було часом вогню та пари. Промислова революція живилася величезними двигунами, що перетворювали тепло на рух, і це практичне застосування зробило розуміння мене ще більш нагальним. Це було схоже на великі міжнародні перегони з розгадування енергетичної головоломки. Перший прорив стався з несподіваного місця: від корабельного лікаря. У 1842 році німецький лікар Юліус Роберт фон Маєр працював у тропіках і помітив, що венозна кров моряків була яскравіше червоною, ніж у холоднішому кліматі. Він зробив висновок, що оскільки було тепліше, їхнім тілам не потрібно було спалювати стільки кисню для підтримки температури. З цього простого спостереження він зробив сміливий стрибок: припустив, що тепло і механічна робота є взаємозамінними формами одного й того ж — мене.

Хоча Маєр мав ідею, англійський пивовар і фізик на ім'я Джеймс Прескотт Джоуль надав неспростовні докази. Джоуль був скрупульозним експериментатором. У своєму найвідомішому експерименті, вперше представленому в 1843 році, він використовував систему падаючих вантажів для обертання лопатевого колеса всередині герметичного контейнера з водою. Коли лопаті перемішували воду, він використовував високочутливий термометр для вимірювання зміни температури. Він доводив знову і знову, що певна кількість механічної роботи від падаючих вантажів виробляє точну, передбачувану кількість тепла у воді. Він встановив те, що називається «механічним еквівалентом тепла», беззаперечно довівши, що робота може бути безпосередньо перетворена на теплову енергію.

Останній шматочок головоломки був поставлений на місце іншим німецьким вченим, Германом фон Гельмгольцем, у 1847 році. Він був справжнім синтезатором. У своїй новаторській праці під назвою «Про збереження сили» він взяв роботи Маєра, Джоуля та інших і об'єднав їх під одним великим, універсальним принципом. Він математично показав, що я не обмежуюся лише рухом і теплом. Я пов'язую все: механіка, тепло, світло, електрика та магнетизм були лише різними обличчями однієї й тієї ж збереженої величини. Він проголосив мене універсальним законом природи, і нарешті моя справжня сутність була відкрита світові.

З тих величних лабораторій 19-го століття я потрапила безпосередньо у ваше життя. Я ваш постійний, невидимий партнер. Коли ви їсте яблуко, ви споживаєте хімічну енергію, яку яблуня вловила від сонячного світла. Потім ваше тіло перетворює цю хімічну енергію на кінетичну, щоб бігати й гратися, і на теплову, щоб зігрівати вас. Коли ви вмикаєте ігрову консоль, ви використовуєте електричну енергію, яку електростанція виробила, перетворивши інший вид енергії — можливо, хімічну енергію природного газу, ядерну енергію атомів або кінетичну енергію вітру чи води. Світло і звук від вашої гри — це я, у ще одній формі.

Думайте про мене як про головного переробника у Всесвіті. Ніщо ніколи не витрачається даремно. Загальна кількість енергії, яка коли-небудь існувала, є такою ж, яка існує зараз, і такою ж, яка існуватиме через мільярди років. Це знання є одним із найпотужніших інструментів людства. Розуміння мого правила — що енергія лише змінює форму — є ключем до інновацій. Воно надихає вчених та інженерів розробляти сонячні панелі, що перетворюють сонячне світло на електрику, вітрові турбіни, що перетворюють рух повітря на енергію для наших домівок, та ефективніші батареї для зберігання цієї енергії на потім. Навчившись вміло керувати моїми перетвореннями, ви можете допомогти живити майбутнє чистішими, розумнішими та більш сталими способами. Я — обіцянка, що енергія, яка нам потрібна, є всюди навколо нас, чекаючи, щоб її змінили на краще.