تعهد مقدس

دانشمند غیرحرفه ای (آماتور)

باورکردن داستان جیمز جول اندکی دشوار به نظر می رسد. او مدت زیادی نزدیک منچستر، انگلستان دور از فضای علمی، جایی که خانواده اش در یک کارخانه آبجوسازی کار می کردند، می زیست. در این کارخانه آبجوهای کمرنگ (ale) و پررنگ (porter) ساخته می شد. او بعضی از مهمترین کارهایش را در صبح زود و عصر، پیش و پس از کار روزانه اش در آبجوسازی، انجام می داد. جول تحصیلات دانشگاهی نداشت و آموزش رسمی او به دشواری گذشت و اصلاً در رشته علمی نبود. به عنوان یک دانشمند، او از هر حیث مانند مایر غیرحرفه ای بود. جول ابتدا مورد بی اعتنایی تشکیلات علمی قرار گرفت. اما، او به رغم غیرحرفه ای بودن، انزوا و بی اعتنایی، ترتیبی داده بود که بیشتر از هر کس دیگری در آن زمان (اوایل و اواسط سالهای 1840) رموز آزاردهنده فرایندهای تبدیل را عمیقاً کاوش کند. و (به خلاف مایر) از بی اعتنایی طولانی رنج نبرد. داستان پیشرفت سریع جول، از دل مشغولی تا مقامی ممتاز در علم بریتانیایی را، در دنیای مراکز تحقیقاتی و دوره طولانی تحصیلات علمی امروزی، به دشواری می توان تصور کرد.

هم ارزیها

موضوعی که از آغاز تا پایان بر پژوهش جول حاکمیت داشت، و به عنوان راهنمای الهام بخش نظریه ای به کار او می آمد، این اعتقاد بود که هم ارزیهایی کمّی را می توان میان آثار گرمایی، شیمیای، الکتریکی و مکانیکی، یافت. او معتقد شده بود که حدّ و گستره هر یک از این آثار را می توان با واحدهایی از هر یک از آثار دیگر ارزیابی کرد. جول این ارتباطهای کمّی را در بیش از هشت طریق متفاوت بررسی کرد: در پژوهشهایی از تبدیل آثار شیمیایی به آثار گرمایی، الکتریکی و مکانیکی؛ و از تبدیل آثار الکتریکی به آثار گرمایی، شیمیایی و مکانیکی؛ و از تبدیل آثار مکانیکی به آثار گرمایی و الکتریکی.
در آغاز، جول کاملاً به اهمیت آثار مکانیکی، در این طرح هم ارزها پی نبرده بود. اولین کار او بر آثار شیمیایی، الکتریکی و گرمایی متمرکز بود. در سال 1840، هنگامی که او هنوز بیست و دوساله بود، رشته ای شامل پنج پژوهش را آغاز کرد که سبب آن، علاقه ای بود که به الکتروشیمی داشت. (جول پیش از آنکه فیزیکدان باشد، الکتروشیمیدان بود.) او نخست دقیقاً نشان داد که گرمای حاصل از جریان الکتریکی در یک سیم متناسب با توان دوم جریانI و مقاومت R است-
اثبات آزمایشی او مستلزم اندازه گیریهای دما در یک «گرماسنج» (ظرفی شامل آب یا مایعی دیگر که کاملاً عایق باشد و خوب به هم زده شود)، اندازه گیریهای جریان الکتریکی با وسیله ای که خودش طراحی کرده بود، و اختراع سیستمی از واحدهای مطلق الکتریکی بود.
سپس جول کوشش قابل ملاحظه ای را صرف مطالعات گوناگونی کرد تا نقش قانون گرمایش خود را در فرایندهای شیمیایی که در سلولهای الکتریکی تولید می شود، بیابد. او «سلولهای ولتایی» (مانند باتری چراغ قوه امروزی) را که برونداد الکتریکی فراهم می کند، و «سلولهای الکترولیز» (مثلاً، سلول تجزیه آب به اکسیژن و هیدروژن) را که درونداد الکتریکی مصرف می کند، به کار گرفت. جول در این آزمایشها یک سلول الکترولیز را با یک باتری از سلولهای ولتایی به کار انداخت. سرانجام او به این نتیجه رسید که جریان الکتریکی ایجاد شده به وسیله واکنش شیمیایی در سلول ولتایی، «اثر گرمازایی» یا «گرمای شیمیایی» را از جای واکنش اولیه، یا به یک مقاومت خارجی می برد که در آنجا می تواند بنابر قانون گرمایش به «گرمای آزاد» تبدیل شود یا به یک سلول الکترولیز می برد که در آنجا، همه یا بخشی از آن می تواند به صورت «گرمای نهان» صرف واکنش الکترولیز شود.
جول برای تعیین کل گرمای شیمایی Qe، که از سلولهای ولتایی به سلول الکترولیز می رسد، قطعه سیمی با مقاومت Re یافت که می توانست جانشین سلول الکترولیز شود، و بدون آنکه تغییرات الکتریکی دیگر ایجاد کند، جریان الکتریکیI در این سیم را اندازه گیری و Qe را با قانون گرمایش محاسبه کرد. او همچنین صعود دما در یک الکترولیز را که بَدَلی از گرماسنج بود، اندازه گیری و از آن گرمای آزاد Qt تولید شده در این سلول را محاسبه کرد. او دریافت که Qe اساساً همواره بیشتر از Qt است؛ در موارد حادی، گرمایشی در سلول وجود نداشت و Qt برابر صفر بود. تفاوت Qe Qt-، آنچه را که جول می خواست محاسبه کند نشان می داد و آن گرمای شیمیایی تبدیل شده به گرمای نهان واکنش الکترولیز بود. اگر گرمای واکنش الکترولیز را با Qr نشان دهیم محاسبه جول به صورت زیر می شود:
Qr= Qe- Qt
این گزاره ای است که جول در سال 1846 آن را برای تعیین چند گرمای نهان از واکنشهای الکترولیزی، با دقت جالبی به کار گرفت. این گزاره کاربردی پیچیده و دقیق از قانون اول ترمودینامیک است، که به نظر می رسد جول دروندادها و بروندادها به سلول الکترولیز فهمیده بود. بدیهی است که معادله فوق را می توانیم با تجدید آرایش زیر بنویسیم
Qr- Qe= Qt
که در این صورت Qe یک درونداد به سلول، Qr به دلیل اینکه در واکنش از دست می رود یک برونداد و Qt تفاوت بین درونداد و برونداد است (شکل 5-1 را ببینید). این یک موازنه یا نوعی حسابداری از محاسبه بود، و ضمناً دلالت بر فرض پایستگی داشت: وجود تعادل نمی تواند درون سلول، خلق یا نابود شده باشد. جول نامی برای آنچه پایسته شده بود، نداشت. شش سال بعد به رودولف کلازیوس و ویلیام تامسن آن را مشخص کردند و تامسن آن را «انرژی» نامید. جول گرچه وارد مفهوم انرژی نشد، اما به وضوح، پیشاپیش معاصرانش، گام بزرگی در شناخت مؤثر قانون اوّل ترمودینامیک برداشت.
وقتی مقالات الکتروشیمی جول برای نخستین بار منتشر شد، چندان مورد توجه قرار نگرفت. نه رد و نه پذیرفته شد، فقط سکوت. یک دلیل برای این بی تفاوتی احتمالاً ماهیت غیرعادی روش جول بود. در آن زمان محاسبه درونداد - برونداد به علت دشواری، فهمیده نمی شد، اما علاوه بر آن، جول عادت داشت تا گرماهای اندازه گیری شده واکنشهای الکترولیزی اش را با گرماهای واکنشهای احتراق (یعنی واکنش با گاز اکسیژن) محاسبه کند، مثلاً، او گرمای دقیق برای واکنش احتراق هیدروژن را به دست آورد،
و بنابراین، جول فرض می کرد که قدر مطلق گرمای آن، همان گرمای واکنش الکترولیز است.
این راه عجیب و غریبی برای یک بررسی یک واکنش احتراق بود. اُزبُرن رینولدز(1)، نخستین زندگینامه نویس جول می نویسد که «دیدگاههای مقالات الکتروشیمیایی و دیگر مقالات جول بسیار پیشرفته تر از هر چیز پذیرفته شده در آن زمان بود که هیچ کس اعتماد کافی نداشت تا به عقیده خود، یا بر یقین کافی از فهم معنی کامل اکتشافاتی که مبنای نظرهای او بودند، جرئت ابراز قبول یا رد آنها را داشته باشد.» ما می توانیم خواننده ای معاصر او را تصور کنیم که با خواندن این مقاله ها سردرگم شده است، و سرانجام به این نتیجه رسیده است که نویسنده آن یا نابغه بوده است یا شخصی غیرعادی.
اما برای جول روش پیچیده و بغرنج، طبیعی بود و ظاهراً به اینکه مقالاتش برای خوانندگان قابل فهم باشد یا نباشد، توجهی نداشت. علاقه اولیه اش، در آن موقع تعیین دقیق هم ارزهای میان آثار گرمایی، الکتریکی و شمیایی بود. او برای گلاویز شدن و حل کردن این مسئله راهی بهتر از به کار بردن اندازه گیریهای الکتریکی و گرماسنجی برای محاسبه اثر گرمایی از یک اثر شیمیایی به نظرش نمی رسید.

هم ارزیهای مکانیکی

جول با افزودن آثار بسیار مهم مکانیکی به سیستم هم ارزهایش مسیر دور و درازی را برای اکتشافات علمی دنبال کرد و در این راه مرتکب اشتباهی شد که پی آمد مساعدی داشت. او در چهارمین مقاله الکتروشیمیایی اش، داده های پتانسیل الکتریکی (در واحدهای امروزی، ولتاژهای) اندازه گیری شده بر مبنای سلولهایی ولتایی را گزارش کرد که از واکنشهای الکترودی اکسید شدن روی و فلزات دیگر تولید می شد. او اشتباهاً باور داشت که این پتانسیلهای واکنشی را به همان طریق گرماهای واکنش می توان به کار برد، این باور که برای یک واکنش معین، بدون توجه به اینکه واکنش چگونه انجام شده است همواره پتانسیل یکسانی وجود دارد. این تعبیر با ترمودینامیک امروزی مجاز نیست مگر آنکه پتانسیلها به طور دقیق (به طور بازگشت پذیر) اندازه گیری شده باشند. اما جول و معاصران او از این محدودیت آگاه نبودند. این اشتباه جول، او را به محاسبه هم ارزهای الکتریکی و گرمایی برای فرایندی سوق داد که در آن اکسیژن حل شده «حالت الاستیکش» معلوم باشد، نتیجه گیری جول از واکنش مرتبه ای از بزرگی بسیار زیاد بود. اما چون اشتباه او به طور کمّی بود این محاسبه، درک ذهنی جول را به طور وسیعی ترفیع داد، زیرا او باور کرد که هم ارزهای گرمایی و الکتریکی را برای یک اثر مکانیکی، یعنی تشکیل گاز اکسیژن از محلول به دست آورده است. در تخیل پُربار جول این امر پرمعنی بود. جول در چهارمین مقاله اش اظهار کرده بود که قبلاً درباره راههای اندازه گیری هم ارزهای مکانیکی اندیشیده است. او امیدوار بود که این استنتاج را تحکیم کند که «توانهای مکانیکی و گرمایشی یک جریان با یکدیگر متناسب اند.»
جول به این طریق تصادفی، آزمایشهایی را برای تعیین هم ارزهای مکانیکی و گرما آغاز کرد که امروزه به نام آزمایشهای جول مشهور است. نخستین آزمایشها، از سری آزمایشهای بزرگ او در سال 1843، به هنگامی که جول بیست و چهارساله بود انجام شد. در این آزمایشهای اولیه او یک جریان الکتریکی را در پیچه ای از سیم، به وسیله چرخاندن آن به طور مکانیکی در یک میدان مغناطیسی قوی، القا کرد. این پیچه الکتریکی در لوله شیشه ای پر از آب و عایق بندی شده، گنجانده شده بود، به طوری که اندازه گیری هر گرمایش در سیم پیچ با فروبردن یک دماسنج پیش و پس از چرخاندن ممکن می شد. جریان القا شده در پیچه، به وسیله اتصال پیچه به یک مدار خارجی شامل یک گالوانومتر، اندازه گیری شد. گرچه منشأ جریان القا شده با جریان ولتایی که جول قبلاً بررسی کرده بود، کاملاً تفاوت داشت، اما کارکرد آنان یکسان بود: در هر دو مورد، جریان سبب گرمایشی می شد که از قانون پیروی می کرد.
در آزمایشهای نهایی این طرح، چرخ وسیله القا با سقوط وزنه هایی به کار می افتاد. با سقوط وزنه ها اثر مکانیکی به صورت کار مکانیکی اندازه گیری، و مستقیماً برحسب فوت-پوند (ft-lb) محاسبه می شد: یک فوت-پوند واحدی بود هم ارز کار لازم رای بالا بردن یک پوند به ارتفاع یک فوت. گرما با واحدی اندازه گیری می شد که با اندازه گیریهای دما تناسب داشت: یک واحد گرما مقدار گرمایی بود که دمای یک پوند آب را 1ْ فارنهایت (F) بالا می برد. ما از ین پس برای واحد گرما، اصطلاح Btu (مختصرشده واحد گرمایی بریتانیایی British thermal unit) را به کار می بریم.
جول در یک آزمایش، وزنه هایی برابر با 75/4 پوند را از ارتفاع 517 فوت ساقط کرد (وزنه ها بارها بالا برده و ساقط می شد) که سبب صعود دمای F 46/2 شد. او وزن لوله شیشه ای، پیچه سیمی، و آبی را که صعود دما در آنها صورت گرفته بود، همگی را به وزنی با هم ارز گرمایی 1/114lb آب، تبدیل کرد. بنابراین، اثر گرمایشی F 46/2 در 1/114lb آب بود. اگر این مقدار گرما در 1lb آب تولید شده بود، اثر گرمایش می شد. جول نتیجه گیری کرد که در این موردft-lb (517) (4/75) هم ارز 2/74 Btu است. او به طور معمول کار مکانیکی هم ارز یک Btu را تعیین کرد. این عدد که تامسن بعدها آن را به افتخار جول “J” نامید، برای این آزمایش به صورت زیر بود:
این نتیجه یک مورد تعیین هم ارزی مکانیکی گرما بود. جول سیزده آزمایش از این نوع انجام داد و نتایجی در گستره J=587 تا J=1040ft-lb/Btu به دست آورد که برای آنها مقدار میانگین 838ft-lb/Btu را گزارش کرد. مقدار «صحیح» مورد ملاحظه امروزی J=778ft-lb/Btu است.
اگر جول نتایج این آزمایشها را با دقت ±%27 هم به دست می آورد، چندان مؤثر به نظر نمی رسید، و هرکس ممکن بود از منتقدان جول که نمی توانستند ادعاهای او را درباره هم ارزی مکانیکی گرمایی اش باور داشته باشند، طرفداری کند. اما جول می کوشید برای مشکل آزمایشی اندازه گیریهایش معیارهای جدیدی برقرار کند. بنا به گفته رینولدز، در مقاله سال 1843 جول، آزمایشهایی گزارش شده بود که بسیار دشوارتر از هر آزمایشی بود که قبلاً فیزیکدانی به آن مبادرت ورزیده باشد.
به هر حال، جول به زودی توانست کارهای بسیار بهتری انجام دهد. او در سال 1845 طریق بسیار متفاوت دیگری برای هم ارزی مکانیکی گرما را گزارش کرد، که به طور شگفت انگیزی با اندازه گیری قبلی او توافق داشت. در این سری دوم آزمایشها، او تغییرات دما را اندازه گیری و گرمای حاصل از فشرده شدن هوا را محاسبه کرد. از رفتار فیزیکی شناخته شده گازها، او توانست اثر مکانیکی متناظر با کار انجام شده بر هوا را به هنگام فشرده شدن، محاسبه کند.
جول در یک آزمایش با فشردن هوا مقدار کار 11230ft-lb و از صعود دمای اندازه گیری شده 0/344F اثر گرمایشی 13/628Btu را محاسبه کرد که در این صورت هم ارزی مکانیکی گرما برابر بود با
آزمایش دیگری نیز به همین طریق انجام شد، که در آن جول تغییر دمای 0/128F را اندازه گیری کرد و نتیجه آزمایش J=796ft-lb/Btu شد. میانگین نتایج این دو آزمایش 810ft-lb/Btu می شد که گرچه تصادفی بود اما از این لحاظ که با نتیجه 838ft-Ib/Btu گزارش شده او در سال 1843 توافق داشت، جلب نظر می کرد.
جول همچنین به انبساط هوای فشرده و کاری که در برابر فشار اتمسفر انجام می گیرد، پرداخت. اندازه گیری هایی از دما به عمل آورد، اما این بار کاهش دما اندازه گیری می شد. جول در یکی از این آزمایشهای انبساط، تغییر دمای -0/1738F را اندازه گیری کرد که در نتیجه اثر گرمایشی به 4/085Btu کاهش می یافت. محاسبه کار متناظر آن 3357 ft-Ib/Btu را نشان می داد، بنابراین،
جول دو آزمایش دیگر از این نوع انجام داد و تغییرات دمایی -0/081 F و -0/0855 f را اندازه گیری کرد، که نتایج J=814 و J=760ft-lb/Btu را به دست آورد.
وقتی همکاران جول به این نتایج می نگریستند، نخستین چیزی که توجه آنان را جلب می کرد، صحت مورد ادعا برای اندازه گیری های بسیار کوچک تغییرات دما بود. در زمان جول، اندازه گیری صحیح یک درجه تغییر دما به قدر کافی دشوار بود. جول اعشار یک درجه را با سه یا چهار رقم با معنی گزارش می کرد و نتیجه گیریهای او بر مبنای چنین تغیرات ناچیزی بود. بنا به اظهارنظر ویلیام تامسن، «جول بجز یک صدمین های یک درجه چیزی نداشت تا با آن دعوی خود را به اثبات برساند.» ولی، اکثر ادعاهای جول توجیه پذیر بود. او اندازه گیریهای دما را با دمانسجهای جیوه ای که حساسیت و صحت بی سابقه ای داشتند، انجام می داد. او در یادداشت های زندگینامه شخصی خود، داستان این دماسنجها را چنین بیان می کند: «در این آزمایشها ضروری بود که از دماسنجهایی بسیار دقیقتر و ظریفتر از آنچه در آن زمان امکان خرید داشت؛ استفاده کنم. بنابراین، من تصمیم گرفتم که بعضی از انواع آنها را عملاً به شیوه ای که رینو درجه بندی کرده بود فراهم کنم. در این راه با حمایت آقای دانسر مهارت یافتم [ج.ب. دانسر(2) وسیله ساز مشهور منچستر]، مدتی هر روز صبح به کارگاه او می رفتم تا سرانجام ما توانستیم نخستین دماسنجهای دقیقی را که تا آن زمان در انگلستان ساخته نشده بود، کامل کنیم.»
جول هم ارزی گرمایی-مکانیکی-کار را با سومین آزمایش انبساط گاز نشان داد. در این آزمایش یکی از خلاقترین طرحهای آزمایشی بود که همه طرحهای او را یک کاسه می کرد. در این آزمایش دو ظرف مسی با حجم ثابت، یکی خلأ شده و دیگری دارای هوای فشرده، با شیری که آنها را به هم متصل می کرد، در یک گرماسنج جای داده شد. با بازکردن شیر، اندازه گیریهای معمولی دما به عمل آمد. در این مورد جول دریافت که هیچ تغییر گرمایی محسوسی حاصل نشده است. انبساط هوا در ظرف تحت فشار، اندکی سرد و جریان هوا در ظرف خلأ اندکی گرم شده، اما هیچ تغییر دمای محسوسی مشاهده نشده بود.
این بود آنچه جول انتظارش را داشت. زیرا سیستم مرکبی، شامل دو ظرف متصل به هم، مسدود بود و حجم معینی داشت، تمامی کار در درون و پشت سر هم، بین دو ظرف انجام می شد. کار انجام شده به وسیله گاز در یک ظرف با کار انجام شده بر گاز در ظرف دیگر برابر بود، بنابراین، هیچ کار اضافی انجام نشده بود. هم ارزی گرمایی برای کار صفر نیز صفر بود، بنابراین، تصور جول از هم ارزی گرمایی-مکانیکی کار ایجاب می کرد تا همچنان که مشاهده کرده بود، در این آزمایش هیچ اثر گرمایی اضافی تولید نشود.
مرحله بعدی، در جستجوی بی امان جول برای یافتن مقدار صحیح و دقیق هم ارزی مکانیکی گرما، که در سال 1847 آن را آغاز کرد، چند سری آزمایش بود که با آنها او گرمای تولیدشده به وسیله فرایندهای اصطکاکی گوناگون را اندازه گیری کرد. آثار اصطکاکی در گرماسنجی پر از آب، جیوه یا روغن که چرخ پرّه داری آن را به هم می زد، تولید می شد. این چرخ پرّه دار به وسیله سقوط وزنه هایی، مانند آزمایشهای سال 1843، به حرکت درمی آمد. کار انجام شده به وسیله وزنه ها مستقیماً به وسیله همزن چرخ پرّه دار به گرما تبدیل می شد که او می توانست با دماسنج موجود در گرماسنج آن را اندازه گیری کند.
از همه اختراعات جول، این طرح آزمایشی، که مشهورترین یادمان نبوغ او شد، آسانترین و سرراسترین نمایش هم ارزی گرمایی-مکانیکی-کار بود. ژول با این روش، نمایش هم ارزی را به عوامل اصلی اش تقلیل داد. دیگر نه دستگاه های القایی پیچیده ضرورت داشت، نه تقریبهای محاسباتی، فقط سقوط وزنه ها و یکی از دماسنجهای حیرت انگیز او کافی بود.
جول به وسیله چرخ پرّه دار و آب به عنوان مایع گرما سنج، از صعود دمای 0/563F، مقدار J=773/64 ft-lb/Btu را به دست آورد. او با استفاده از جیوه در گرماسنج J=773/762 و 776/303ft-lb/Btu را به دست آورد. در دو سری آزمایشهای دیگر، جول وسایلش را طوری برقرار کرد که با سقوط وزنه ها، دو حلقه چُدنی در گرماسنجی پر از جیوه، با هم اصطکاک داشته باشند؛ نتایج به دست آمده J=776/997 و 774/880 ft-lb/Btu بود.
جول آزمایشهای چرخ پرّه دار سال 1847 خود را در اجلاسی از انجمن بریتانیایی برای پیشرفت علم در آکسفورد، تشریح کرد. چون مقالات قبلی او علاقه اندکی را برانگیخته بود، از او درخواست شد که تا حد ممکن مطالب خود را به اختصار ارائه کند. جول بعدها یادآوری کرد که «این بود آنچه می کوشیدم انجام دهم، بحثی که نکات مورد نظر من دریافت نشد و اگر مرد جوانی در این مقطع ظاهر نمی شد و با مشاهدات هوشمندانه اش، علاقه نشاط انگیزی به این نظریه جدید نشان نمی داد، بحث من بدون هیچ نقد و تفسیری بی ثمر می ماند.»
سرانجام سکوت شکسته شد. این مرد جوان ویلیام تامسن بود که به تازگی به استادی فلسفه طبیعی در دانگشاه گلاسکو منصوب شده بود. تامسن نظریه هایی درباره درست یا نادرست بودن کار جول داشت که از اظهار آنها امتناع می کرد، اما تشخیص داده بود که نمی توان کار جول را نادیده گرفت. تامسن برای پدرش نوشت،‌ «من اطمینان دارم که بسیاری از ایده های جول نادرست است، اما به نظر می رسد بعضی از واقعیت های بسیار مهمی را کشف کرده است، مثلاً این واقعیت که از اصطکاک سیالات، گرما ایجاد می شود.» تامسن در سال 1882 یادآور شد که «مقاله جول در اجلاس آکسفورد شور و احساس فراوانی ایجاد کرد. فارادی آنجا بود و بسیار تحت تأثیر قرار گرفت اما به طور کلّی وارد این نظریه های جدید نمی شد... پس از مدتی کوتاه استوکس به من گفت که متمایل به طرفداری از جول شده است.» جرج استوکس (3) فیزیکدان و ریاضیدان برجسته جوان دیگر در سال 1847 عضو کالج پمبروک (4) کمبریج بود و طی دو سال به عنوان استاد لوکاسین ریاضیات، که زمانی کرسی استادی نیوتون بود، منصوب شود.
پس از گذشت سه سال از اجلاس اکسفورد، جول از گمنامی به مقامی برجسته در تشکیلات علمی بریتانیا، ارتقا یافت. قدرشناسی از او نخست در اروپا به عمل آمد: یک مجله معتبر فرانسوی، به نام comptesRendu گزارش مختصری از آزمایشهای سال 1847 جول را منتشر کرد و در سال 1848 جول به عنوان عضو افتخاری فرهنگستان سلطنتی علوم در تورین (5) انتخاب شد. تنها دو دانشمند بریتانیایی دیگر، فارادی و ویلیام هرشل، از طرف فرهنگستان تورین به این افتخار نایل شده بودند. در سال 1850، جول به هنگامی که سی و یک ساله بود نشان پذیرش هیئت علمی بریتانیا را دریافت کرد و به عنوان عضو انجمن سلطنتی انتخاب شد.
پس از این سالهای پر ماجرا، تلاشی پژوهشی عمده جول، همکاری طولانی با تامسن درباره انبساط گازها بود. این یکی از نخستین کوششهای جمعی در تاریخ بود، که استعدادهای یک نظریه پرداز و یک آزمایشگر به طور موفقیت آمیز و با خرسندی متحد می شد.

نیروی زنده و گرما

جول باور داشت که آب در انتهای آبشار می باید اندکی گرمتر از آب بالای آن باشد، و کوششهایی به عمل آورد تا چنین آثاری را آشکارسازی کند. (بنابر داستان مشکوک و در هر حال پر آب و تابی از قول تامسن او حتی در موقع ماه عسل در سویس از این کار دست برنمی داشت.) این امر برای جول نمونه ای از اصل پایستگی بود که «گرما، نیروی زنده و جاذبه در فضا... متقابلاً به یکدیگر تبدیل پذیرند. در این تبدیلها هرگز چیزی از دست نمی رود.» اما، این گزاره مستلزم اندکی توضیح و تفسیر است.
مکانیک نیوتونی تلویحاً اشاره دارد به اینکه انرژی مکانیکی یک وجه «پتانسیل» و یک وجه «سینتیک» دارد که به طور بنیادی به هم مربوط اند. «انرژی پتانسیل» در وزنه ای که بالای زمین نگاه داشته می شود آشکار است. این وزنه انرژی دارد، زیرا بالا بردن آن مستلزم انجام کار است. بازفات کامل این کار در صورتی ممکن است که با رها کردن وزنه، سقوط آن بسیار آهسته باشد و ماشین را به حرکت درآورد که هیچ گونه اتلاف اصطکاکی نداشته باشد. همان طور که می توان انتظار داشت، انرژی پتانسیل وزنه متناسب با جرم و ارتفاع آن از بالای زمین است: اگر شروع آن از ارتفاع 100 فوتی باشد می تواند کاری دو برابر مقدار کاری که شروع آن از ارتفاع 50 فوت است، انجام دهد.
اگر وزنه به طور آزاد ساقط شود به طوری که با آلات ماشینی پیوندی نداشته باشد، کاری انجام نمی دهد، اما شتاب می گیرد و با افزایش سرعت «انرژی سینتیک ‍[جنبشی]» کسب می کند. انرژی جنبشی، مانند انرژی پتانسیل، می تواند با نوع مناسبی از ماشین آلات، به کار تبدیل شود و همچنین متناسب با جرم وزنه است. اما ارتباط آن با سرعت، بنابر قانون دوم نیوتون درباره حرکت، توان دوم سرعت است.
در سقوط آزاد، وزنه انرژی ای مکانیکی دارد که برابر با مجموع انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل است،
انرژی پتانسیل+انرژی جنبشی=انرژی مکانیکی
وزنه ای که در حال سسقوط آزاد است، هنگامی که به زمین نزدیک می شود انرژی پتانسیل از دست می دهد و چون شتاب دارد، انرژی جنبشی کسب می کند. قانون دوم نیوتون این آگاهی را به ما می دهد که این دو تغییر دقیقاً یکدیگر را جبران می کنند و اینکه انرژی مکانیکی کل پایسته است، هرگاه تعریف کنیم
در معادله های (2) و (3)، m جرم وزنه، سرعت آن، z فاصله وزنه در بالای زمین و g مقدار ثابتی است که در بالا به صورت شتاب گرانشی شناخته می شود. اگر انرژی مکانیکی کلّی را با E نشان دهیم، معادله (1) می شود
و قانون پایستگی که با قانون دوم نیوتون محقق شده، ضمانت می کند که E همواره ثابت است. در شکل 5-2 فرایند تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی نشان داده شده است. در این شکل، وزنه پیش از شروع ساقط شدن 10 واحد انرژی، انرژی پتانسیل دارد و انری جنبشی ندارد. در نیمه راه سقوط به زمین، 5 واحد انرژی پتانسیل و 5 واحد انرژی جنشی دارد، و در لحظه پیش از برخورد با زمین، انرژی پتانسیل ندارد و 10 واحد انرژی جنبشی دارد. در هر زمان، انرژی کل مکانیکی آن 10 واحد است.
اصطلاح «نیروی زنده» (یا به لاتینی vis viva) جول، تقریباً همان انرژی جنبشی است، و عبارت «جاذبه در فضا» همان معنی انرژی پتانسیل را دارد. بنابراین، اظهارات جول مبنی بر اینکه نیروی زنده و جاذبه در فضا تبدیل به یکدیگرند، و اینکه در این تبدیل چیزی از دست نمی رود با تبدیل انرژی مکانیکی نیوتونی قابل قیاس است. آب در رأس آبشار فقط انرژی پتانسیل دارد و درست پیش از رسیدن به حوضچه انتهایی آبشار، فقط انرژی جنبشی دارد. یک لحظه بعد، آب در حوضچه آرام می شود و بنابر اصل جول، سومین کمیت پایسته یعنی گرما را شامل می شود. آب گرمتر می شود، زیرا انرژی مکانیکی به گرما تبدیل شده است. جول هرگز برای قطعی کردن این اثر موفق نشد. انتظار نداریم که بزرگترین آبشار، تغییر دمایی بیشتر از یک دهم درجه تولید کند. جول حتی نتوانست چنین تغییر دمایی را در کنار یک کوه آشکارسازی کند.
تصور مکانیکی جول از گرما او را بیشتر به این باور رسانید که در تبدیل حرکت یک جسم به گرما، حرکت در واقع از دست نمی رود، زیرا خود گرما نتیجه حرکت است. او گرما را به صورت حرکت بی نظم درونی ذرات تشکیل دهنده ماده می دانست. این ایده کلّی تاریخی طولانی داشت که دست کم به رابرت بویل و دانیل برنولی در قرن هفدهم باز می گردد.
جول ذرات ماده را به صورت اتمهایی می پنداشت که با چرخش «اتمسفرهای الکتریسیته» احاطه شده اند، نیروی مرکز گریز این اتمسفر سبب می شوند که گاز به هنگام کاهش فشار یا افزایش دما منبسط شود. انرژی مکانیکی تبدیل شده به گرما موجب حرکت چرخشی این اتمسفرهای اتمی می شوند. این تصورات جول نشانه آغاز پیدایش و توسعه نظریه ای بود که بعدها «نظریه مولکولی (یا جنبشی) گازها» نامیده شد. متعاقب جول، کار قطعی در این زمینه به وسیله کلازیوس، ماکسول و بولتزمن به عمل آمد.

شرح مختصری درباره جول

اُزبرن رینولدز، که جول را در سال 1869 ملاقات کرد، از رفتار و ظاهر او در میانسالی، این برداشت را به ما می دهد:‌ »جول که پنجاه و یکساله بود، قدری نسبتاً زیر متوسط، چهره ای تا حدی گرد و مصمّم داشت، لباسش گرچه تمیز، اما بسیار پیش پا افتاده و معمولی بود. حالات و حرکاتش ظرافت طبیعی نداشت. در حالی که رفتارش تا حدی عصبی بود و مهارت زیادی در سخن گفتن نداشت، روی هم رفته نشان سادگی و عدم هرگونه ظاهرسازی و تکلّف را که شاخص زندگی اوست، منتقل می کرد.»
جول در سال 1847 با امیلیا گریمز ازدواج کرد، در این موقع او بیست و نه سال و گریمز سی و سه ساله بود. آنان دو فرزند، یک پسر و یک دختر داشتند. امیلیا در سال 1854 فوت شد. تازه ترین زندگینامه نویس جول، دونالد کاردول (6) می نویسد: «مدتی مدید طول کشید تا اثر این ضربه ترمیم شود. دوستان جول و معاصرانش توافق داشتند این مردی که هیچ گاه خیلی صبور و محکم نبود، درون گرا و افسرده تر شد.» در حدود چهارده سال بعد، جول بار دیگر عاشق شد، این بار به عموزاده اش فرانسس تاپندن (7)، مشهور به «فانی». او در نامه ای به تامسن می نویسد: «ناگهانی مهر و محبتی که میان من و دخترعمویم که شما آخرین بار او را در این جا دیدید، پدید آمد. اما موانعی در راه است که شاید حاصلی نداشته باشد.» این «موانع» مانع ازدواج شد و سرانجام فانی با مرد دیگری ازدواج کرد.
تمایلات سیاسی جول محافظه کارانه و سنتی بود. او بیزاری شدید و گاهی غیرعقلانی، نسبت به ذهنیت اصلاح طلب سیاستمداران لیبرالی مانند گلادستون و جان برایت داشت. او در نامه ای به تندال نوشت: «آقای گلادستون ماشین تروتمیز مد روزی از خودنمایی بود، به این منظور که خود را در قدرت نگه دارد... آیندگان درباره او به عنوان بدترین دولتمردی که انگلستان داشته داوری خواهند کرد و رأی آنان نسبت به آن پارلمان ایضاً، همان خواهد بود.»
بنابه اظهارات ج.گ. کرودِر (8)، زندگینامه نویس دیگر، جول شخصیتی داشت که «کاملاً در حالت تعلیق بود». از یک جهت آزمایشهایی را با نهایت دقت و حوصله انجام می داد، و از جهت دیگر علیه سیاستمداران لیبرال پرخاشگری می کرد. او می ترسید از این که تلاش ذهنی بسیار زیاد سلامتی اش را به خطر اندازد. در سال 1860 یک کرسی استادی فیزیک در اُوِنز کالج (9) منچستر ایجاد شد، و او می توانست آن را به دست آورد، اما تصمیم گرفت که از این موقعیت استفاده نکند. او در نامه ای برای تامسن توضیح داد که «من جرئت به کارگیری کرسی اُونز را ندارم. واقعیت این است که احساس می کنم اضافه کردن کار مغز، برای من مفید نباشد. چند سال پیش، احساس کردم یک تلاش ذهنی بسیار اندک برای من تحمل ناپذیر است، و در نتیجه تا آن جا که ممکن بود خود را از تفکر زیاد کنار کشیدم. بهبودی تدریجی را احساس کرده ام، اما گمان نمی کنم برای من انباشت فکری بسیار زیاد مناسب باشد. با آسان گیری مسائل، در طولانی مدت می توانم کارهای بیشتری انجام دهم.»
در این زمان زندگی جول پر تکاپو و طاقت فرسا بود. و شاید هم خود را در آستانۀ فروپاشی احساس می کرد. امیلیا در سال 1854 مرد، آبجوسازی در همان سال فروخته شد و آزمایشهای او با تامسن در حال پیشرفت بود. در طی شش سال بعد دوبار خانواده و آزمایشگاهش را جابه جا کرد. پس از دومین جابه جایی، درگیر ناراحتی مشاجرات زننده ای با همسایه اش بود، که به سر و صدا و دود ماشین بخار او اعتراض می کرد. این ماشین با توان سه اسب بخار از جمله وسایل جول بود. این همسایه «اقای بروکر، عضو ارشد شورای محلی منچستر و رئیس کمیته مزاحمان، به نظر خودش مرد بسیار مهمی بود، مانند بیشتر مردمی که از لایه های پایین جامعه بالا می آیند.»
در طی همین دوران، جول به زحمت از آسیب شدید شکستگی یک قطار رهایی یافته بود، و پس از آن تقریباً به طور غیرقابل کنترلی، از سفر با قطار می ترسید. در عین حال او سفر دریایی را، حتی وقتی خطرناک بود، دوست می داشت. او در نامه ای به فانی، یک سفر ده مایلی به جزیره تروی در اقیانوس اطلس، حوالی ساحل ایرلند را که در آنجا برادرش ملکی داشت، بدین گونه شرح می دهد: «موجهایی بود از قله ای به قله دیگر در حدود 4 تا 600 فوت و ارتفاع 20 فوت. دکتر برادی که با ما بود و بیست و پنج سال در اقیانوس قایقرانی کرده بود، می گفت هرگز در دریایی خطرناکتر از این نبوده است، اما شکوه آن احساس نامساعد بودن خطری را که امکان وقوع داشت، دور می کرد.»
از لحاظ مقایسه، توانایی علمی جول چندان ابهتی نداشت. او به عنوان نظریه پرداز شایستگی داشت، اما نظریه پرداز برجسته ای نبود. او با فصاحت سخن نمی گفت و در جامعه علمی زمان خود از اهمیت ویژه ای برخوردار نبود. اما جول سه ویژگی فوق العاده داشت: مهارت آزمایش، استقلال فکری و الهام نظر.
او نخستین کسی بود که فهمید به دست آوردن اصول هم ارزی نامبهم و مشخص، فقط با بیشترین توجه ملهم از صحت آزمایش امکان پذیر است. او هدف خود را با انتخاب دقیق اندازه گیریهایی که منظورش را برآورده می کرد، هب انجام می رساند. کرودر از سرراست بودن و سادگی راهبردهای آزمایشی جول اظهار شگفتی می کند: «او کورکورانه، مقداری از حقیقت را از تعداد زیادی از آزمایشهای ناموفق سوا نمی کرد. تقریباً همه آزمایشهای او چنان به طور کامل طرح ریزی شده به نظر می رسید که نخستین پیش نویس آنها را می شد، بدون بازنگری، برای انتشار به مجلات ارسال کرد».
جول درآمد مستقل کافی برای زندگی اش داشت. این امر به او امکان می داد که به طور خصوصی یک دوره علمی را دنبال کند، و نوعی استقلال عقلانی در مورد نیاز خود را فراهم آورد. کِرودِر درباره این وجه از زمینه زندگی جول می گوید:
او به عنوان یک مرد جوان ثروتمند، نیازی به آموزش رسمی نداشت تا او را واجد شرایط برای حرفه خاصی کند، یا او را با دوستان قدرتمند آتی آشنا سازد. دنبال کردن پژوهشهای اولیه او تا حدی تحت تأثیر میهمانی اشراف زاده جوانی بود که تصادفاً به جای بحث جنگ، امور سیاسی و قمار، درباره علم بود. مشکل است باور کنیم که هیچ دانشجویی که مدتی طولانی آموزش دانشگاهی دریافت کرده بود، توانسته باشد تحقیقات را با لحنی برابر با عقلانیت جول توصیف کند. دانشجوی مستعدی که زیر نظر استاد بزرگی تعلیم دیده بود، تقریباً به طور مسلم در نخستین مقالاتش، رأی کمتر مستقلی را اتخاذ می کرد؛ زیرا او علاوه بر تمکین احترام مقتضی به دستاوردهای مقام ارشد خود، می باید نگرش یک شاگرد به مقام ارشدش را رعایت کند. دانشجویی که رعایت چنین حرمتی را نکند، پس از آموزش ممتاز تقریباً همیشه فردی معمولی است.
جول هم کلاً از آموزش خصوصی ممتاز بی بهره نبود. در آغاز سال 1834 جول و برادرش بنجامین، به مدت سه سال نزد جان دالتن تحصیل می کردند؛ دالتن در آن زمان شصت و هشت ساله بود و مثل همیشه با آموزش مبادی علم و ریاضیات به شاگردان، پول به دست می آورد. تحصیلات جول با دالتن، به ویژه از لحاظ فن تعلیم موفقیت آمیز نبود. دالتن آموزش آنان را از حساب و هندسه (اقلیدسی) آغاز می کرد و سپس به ریاضیات عالیتر، با اندکی توجه به فیزیک و شیمی پیش می برد. برنامه های درسی دالتن مناسب علایق جول نبود، اما جول به راههای غیر رسمی از آنها بهره می برد. جول بعدها در یادداشتهای زندگینامه اش نوشت: «دالتن برای جلب علاقه شاگردانش به حقیقت علمی، توانایی نادری داشت؛ واز همین وجه آموزش او بود که برای نخستین بار این اشتیاق در من ایجاد شد تا دانش خود را با پژوهشهای جدید و اصیل افزایش دهم.» دالتن، نه در جریان تدریس، بلکه در آثار نوشتاریش تأکید می ورزید که اندازه گیریهای صحیح در ساختن مبانی علم فیزیک نهایت اهمیت را دارد، این درسی بود که جول آموخت و بیش از همه آن را به کار گرفت. دالتن به عنوان سرمشق، باشهرت بین المللی برای نظریه های شیمیایی اش، آن هم به طور خود آموز، و زیستن و عمل کردن در مچستر، می باید جول را متقاعد کرده باشد، که او نیز می تواند به آینده امیدوار باشد.
استقلال فکری و اعتماد به نفس جول در پیشینه ذهنی و استعدادهای او، خواه به طور طبیعی یا آموخته شده از دالتن، در سالهای بعد، بارها آزموده شد، اما هرگز متزلزل نشد. نخستین تلاش او که در سال 1843 برای تعیین هم ارزی مکانیکی گرما به عمل آمد، نادیده گرفته شد و به تعیین هم ارزیهای بعدی دیگر او توجه چندانی نشد، تا آنکه در سال 1847، در اجلاس انجمن بریتانیایی، مورد توجه تامسن و استوکس قرار گرفت.
وقتی جول خلاصه ای از آزمایشهای اصطکاکش را برای انتشار ارائه کرد، مقاله او با سه نتیجه گیری به پایان می رسید، که در آنها به هم ارزی گرمایی-مکانیکی-کار در آزمایشهای اصطکاک اصرار می ورزید، مقدار J اندازه گیری شده اش را نقل می کرد و اظهار می داشت که «اصطکاک منوط به تبدیل توان مکانیکی به گرما است.» داوری که درباره مقاله اظهار نظر می کرد (احتمالاً فارادی) درخواست کرد که نتیجه گیری سوم متوقف شود.
انجمن سلطنتی، انتشار نخستین مقاله الکتروشیمیایی جول، بجز چکیده ای از آن را، رد کرد. آرتور شوستر(10) می نویسد، وقتی از جول پرسیدم واکنش شما در برابر رد شدن این مقاله مهم چه بود، پاسخ جول خصلت اختصاصی او بود: «من تعجبی نکردم، آقایانی را تصور کنم که در لندن دور میزی نشسته اند و به یکدیگر می گویند: چه چیز خوبی ممکن است از شهری [منچستر] پیدا شود، جایی که شامشان را وسط روز میخورند».
اما جول با همه استعدادها، امتیازات مادی و استقلال ذهنی اش، اگر نوعی اندیشه الهام گونه غیرعادی راهنمای او نبود، هرگز نمی توانست آنچه را که می کند به کمال برساند. «مطالعه طبیعت و قوانین آن» برای جول «اساساً وظیفه ای مقدس» بود. او می توانست شکیبایی شگفت آور لازم برای تشخیص و ارزیابی خطاهای کوچک در یک سری طویل از اندازه گیریها را به دست آورد و در عین حال فراسوی جزئیات برود و کار خود را به صورت یک موضوع تحقیقی «برای آشنایی با قوانین طبیعت... برای آشنایی با مشیت خداوند که در آن مشهود است» بنگرد: گاهی نظریه پردازان بزرگ، اندیشه هایی از این نوع داشته اند-شاید بتوان همین معنا را از اظهارنظر اینشتین که می گوید «رمز سرمدی جهان ادراک پذیری آن است» به دست آورد-اما آزمایشگران که ظاهراً کارهای معمولی روزمره آنان قرائت دستگاهها و طراحی وسایل آزمایشی است به ندرت احساس می کنند که با «مشیت الهی» در ارتباط اند.
مشکل بتوان میراثی عملی را یافت که همچون میراث جول در عین سادگی از اهمیتی عمیقی در تاریخ علم برخوردار باشد. دستاورد عمده جول را می توان با تک گزاره زیر خلاصه کرد:
J=778 ft-lb/Btu
شایان ذکر است که این نتیجه با صحت و دقت فوق العاده ای به دست آمد. این یادمانی از جول در نوشته های علمی است که امروزه به صورت 4/1840 کیلوگرم-متر بر کالری نقل می شود و دانشجویان امروزی به طور عادی و بدون قدرشناسی، آن را برای انتقال کمّی یک واحد انرژی به واحد انرژی دیگر به کار می برند.
در سالهای 1840 اندازه گیری های جول از لحاظی بسیار جذابتر و از لحاظی نگران کننده تر شد. مفهوم انرژی هنوز (حتی پنج یا ده سال بعد) ایجاد نشده بود، و عدد جول، به عنوان شاخص تبدیل و پایستگی انرژی جای پای محکمی نیافته بود. با وجود این، پژوهش جول آشکارا نشان می داد که چیزی تبدیل می شود و پایستگی دارد، و سرشته محکمی به دست می داد که آن چیز، چیست.

پی نوشت ها :

Osborne Reynolds
J.B.Dancer
George stokes
Pembroke college
Turin
Donald cardwell
Frances Tappenden
J.G.crowther
Owens college
Arthur Schuster (فیزیکدان، استاد دانشگاه منچستر).

منبع: کروپر، ویلیام ه؛ (1390)، فیزیکدانان بزرگ از گالیله تا هاوکینگ، ترجمه احمد خواجه نصیر طوسی، تهران؛ انتشارات فاطمی، چاپ سوم.