Идея о неуничтожаемости движения возникла еще в древности. Она была тесно связана с философским представлением, что в природе нет ничего, кроме движущихся атомов.
Вот как писал об этом поэт-философ Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей»:
Вся совокупность материи не была сжата плотнее
В целом своем никогда, как и не была более редкой,
Так как ничто не приходит в нее и ничто в ней не гибнет.
А потому и движение, в котором первичные тельца
Вечно бывают, с начала веков оставалось все тем же.
Это учение, однако, не было связано с измерением количества движения.
В XVII веке возникла динамика, изучавшая количественные законы движения. Ученые уже не довольствовались качественными гипотезами. Они измеряли скорости и количество движения.
Так была подготовлена почва для открытия закона сохранения материи и энергии, сформулированного великим русским ученым М. В. Ломоносовым (1711—1765).
Сын крестьянина-помора, М. В. Ломоносов ушел из деревни Денисовки (близ города Холмогоры) в Москву, чтобы учиться. Не получая ни от кого поддержки, он упорно работал и был одним из лучших студентов по успехам.
В 1736 году молодой Ломоносов вместе с двумя другими студентами был послан для изучения специальных наук в Германию. Там он слушал лекции физика Вольфа.
По возвращении в Россию М. В. Ломоносов был зачислен адъюнктом в Петербургскую Академию наук. В течение первых десяти лет пребывания в Академии наук М. В. Ломоносов написал ряд исследовательских работ. В «Рассуждении о природе тепла и холода» он утверждал, что теплота есть движение корпускул. В письме к Л. Эйлеру М. В. Ломоносов высказал замечательную идею о сохранении в природе постоянного количества движения и материи.
«Все изменения, случающиеся в природе, — писал Ломоносов, — происходят так, что если что-либо прибавится к чему-либо, то столько же отнимется от чего-то другого. Так, сколько к какому-нибудь телу присоединяется материи, столько же отнимается от другого… Так как этот закон природы всеобщ, то он простирается даже и в правила движения, и тело, побуждающее своим толчком другое к движению, столько же теряет своего движения, сколько сообщает другому, движимому им».
Ломоносов сформулировал закон сохранения кинетической энергии (движения) в общем виде. Для некоторых частных случаев этот закон высказывался и другими учеными. Например, Гюйгенс установил, что при соударении вполне упругих тел сумма произведений их масс на квадрат скоростей остается постоянной.
Закон сохранения энергии подтверждается многими наблюдениями. Расширение горячих газов в стволе ружья приводит в движение пулю, преодолевая сравнительно небольшое трение и сопротивление воздуха. За вычетом части работы, израсходованной на преодоление этих сопротивлений, вся остальная работа расширяющихся газов превращается в кинетическую энергию летящей пули.
Кинетическая энергия пули, в свою очередь, может совершить такую же работу. Если пуля встретит баллистический маятник, то отклонит его. Расчет показывает, что для отклонения маятника произведена такая же работа, какая была нужна для сообщения пуле ее кинетической энергии.
Оставалось только неясным, что происходит с кинетической энергией, как бы «исчезающей» при столкновении неупругих тел или при трении движущегося тела. Чтобы разгадать причину этого явления, нужно было знать, что вещество состоит из молекул (корпускул), находящихся в постоянном колебательном движении.
Высказанных М. В. Ломоносовым идей было достаточно, чтобы прийти к мысли о переходе энергии при столкновении неупругих тел или при трении в колебания корпускул, то есть в теплоту. Нужно было только подтвердить эту мысль на опыте.
Такое наблюдение и было сделано в самом конце XVIII века.
В 1798 году английский физик Бенжамин Томпсон (1753—1814), получивший титул графа Румфорда, сообщил Лондонскому Королевскому обществу о сделанном им наблюдении превращения механического движения в теплоту. Присутствуя при сверлении стальных стволов пушек, Румфорд видел, что сверла, ствол пушки и стальные стружки сильно нагревались.
Так как при этом не происходило никаких химических процессов, то образование теплоты могло быть приписано только переходу вращательного движения сверла в тепловые колебания молекул металла.
Позднее подобные опыты были сделаны и другими физиками.
Например, при трении друг о друга двух гладких кусков льда наблюдалось их таяние. Энергично мешая лопатками воду, удалось повысить ее температуру.
Так было доказано превращение движения в теплоту. После этого стало очевидным, что кинетическая энергия не исчезает. Например, при соударении неупругих тел часть кинетической энергии переходит в теплоту и повышает температуру соударяющихся тел.
Английский физик Джемс Прескотт Джоуль (1818—1889) своими опытами определил механический эквивалент теплоты, то есть количество ее, соответствующее определенному количеству механической энергии.
Заставляя воду протекать через узкие трубки, Джоуль установил, что механическая работа, необходимая для поднятия 1 килограмма на высоту 424 метров, превращаясь в теплоту, нагревает 1 килограмм воды на 1 градус Цельсия.
Позднее было доказано, что сохранение кинетической энергии есть проявление общего закона сохранения, приложимого ко всем видам энергии, существующим в природе.
Энергия не создается и не уничтожается, а только превращается из одного вида в другой.
Этим свойством энергии объясняется и невозможность так называемого вечного движения, то есть создания машины, которая производила бы работу без затраты энергии.
Не только в средние века, но даже в новое время множество изобретателей трудились над созданием проектов такой машины. Большая часть их добросовестно заблуждалась, веря в возможность осуществления вечного движения.
Еще в XIII веке начались подобные попытки. Обычно такой двигатель представлял собой колесо, вращающееся на горизонтальной оси. Внутри колеса перекатывались тяжелые шары, причем они должны были на одной стороне всегда находиться дальше от оси вращения, чем на другой.
В других проектах насос должен был накачивать воду в верхние черпаки водяного колеса, которое приводит его в движение.
Совершенно очевидно, что для поднятия шаров или воды на определенную высоту нужно произвести ту же работу, которую они могут совершить опускаясь. Поэтому никакая из этих машин не может прийти в движение сама по себе. Если же привести такое колесо во вращение, то оно может вращаться, быстро замедляя свое движение, пока сообщенная ему кинетическая энергия не израсходуется на преодоление трения (причем вся эта энергия перейдет в теплоту). После этого машина остановится.
Нужно отметить, что шары или перекачка воды в машине «вечного движения» не удлинят, а укоротят время вращения колеса, так как увеличат трение. Если заставить вращаться одновременно с той же силой просто приподнятое велосипедное колесо, то его вращение будет продолжаться дольше, потому что трение оси в шарикоподшипниках очень невелико.
Ученые издавна указывали на абсурдность идей вечного движения.
Еще Леонардо да Винчи предупреждал изобретателей, что идея вечного двигателя неосуществима. Позднее Стевин обосновал свой вывод закона наклонной плоскости, исходя из невозможности вечного движения. К этому доказательству прибегал и Галилей.
Но изобретатели не были физиками-мыслителями. Они продолжали подавать множество проектов в академии и другие учреждения.
Наконец в XVII веке Парижская Академия наук поручила академику Лагиру рассмотреть вопрос о вечном движении.
Лагир дал в 1678 году простое и ясное доказательство неосуществимости создания машины, не только производящей работу, но даже вообще могущей находиться в вечном движении без затраты энергии.
Несмотря на это, изобретатели вечного движения продолжали подавать свои фантастические проекты. Тогда в 1755 году Парижская Академия наук прекратила прием проектов вечного двигателя.
Как сообщал еще недавно академик В. Л. Кирпичев, и в наше время нет недостатка в изобретателях вечного двигателя.
«Это почти всегда, — писал В. Л. Кирпичев, — лица очень почтенные, добросовестно преданные идее, но увлеченные ею так сильно, что они абсолютно глухи к доводам рассудка. На них не действуют не только словесные, логические доказательства, но даже такое сильное фактическое доказательство, которое им представляют своей полной инертностью продукты их изобретательности, изготовленные их собственными руками».
Только ознакомление широких масс с законом сохранения энергии и с историей механики может прекратить бесполезную затрату труда на изобретение машины вечного движения.