Джеймс Преськотт Джоуль народився 24 грудня, 1818 року в англійському містечку Салфорде, розташованому поблизу манчестера. Він був другим з п'яти дітей в сім'ї спроможного власника пивоварного заводу. У дитинстві Джеймс був слабкою і сором'язливою дитиною, у якої були проблеми з хребтом. Ці обставини, що обмежують його активність, стали причиною того, що він віддав перевагу науці фізичної діяльності. Не дивлячись на те, що пізніше проблема з хребтом вже не так турбувала його, це відбилося на всьому його житті.
До п'ятнадцяти років Джеймс навчався удома. Потім він почав працювати на пивоварному заводі, що належить його сім'ї. Проте, він і його старший брат продовжували брати приватні уроки в манчестері.
З 1834 по 1837 рік, відомий англійський хімік Джон Далтон викладав їм хімію, фізику, науковий метод і математику (як і Джеймс Джоуль, Далтон був християнином, віруючим в Біблію). Джеймс з вдячністю визнавав, що Далтон зіграв основну роль в тому, що він став вченим. «Саме в результаті його викладання у мене з'явилося бажання збільшити запас моїх знань за допомогою оригінальних досліджень» - говорив Джоуль
Коли їх отець захворів, Джеймс і його брат почали займатися справами на пивоварному заводі, тому у Джеймса не було можливості відвідувати університет. Але, не дивлячись на це, його заповітним бажанням було продовжувати вивчати науку, і тому він створив у себе удома лабораторію, в якій і почав проводити свої експерименти щодня до і після роботи. Джеймс розглядав своє бажання вивчати науку як природний результат своєї християнської віри. Як він пізніше писав, «це очевидно, що пізнання законів природи означає не менше, ніж ознайомлення з Божим розумом, вираженим в цих законах». 2
Захоплюючі експерименти
У 1839 році Джоуль почали ряд експериментів, в яких він досліджував механічну роботу, електрику і теплоту. У 1840 році він послав свою роботу "О утворенні Теплоти за допомогою Вольтовського (Гальванічного) Електрики" в Королівське Наукове Суспільство в Лондоні — напевно, найпрестижніше суспільство британських учених.
У своїй роботі він показав, що кількість вироблюваної теплоти за секунду в дроті з електричним струмом дорівнює квадрату струму (I) помноженого на опір (R) дроту. (Це виражено формулою, P=IІR. ) Ця залежність відома як закон Джоуля (Кількість теплоти, що виділяється в провіднику із струмом, прямо пропорціонально квадрату сили струму, опору провідника і часу проходження струму). Робота Джоуля не викликала великого ентузіазму в Королівському Науковому Суспільстві, і було опубліковано лише короткий виклад отриманих їм даних.
У 1843 році Джоуль обчислив кількість механічної роботи,
яка необхідна для утворення еквівалентної кількості теплоти. Ця величина була названа "механічним еквівалентом теплоти". Він знову передав дані своїх спостережень на розгляд — але цього разу Британській Асоціації Розвитку науки. І знову його робота не викликала захопленої реакції. Декілька провідних наукових журналів також відмовилися опублікувати дані досліджень Джоуля.
Багато учених сумнівалися, чи варто приймати його роботу, але Джоуль терпляче відстоював свої позиції. Дуже часто потрібний час для того, щоб нові ідеї отримали своє визнання, особливо якщо автором цих ідей є непрофесіонал в даній області. Дані, отримані Джоулем, кидали виклик калоричній теорії, якою дотримувалися більшість фізиків того часу. Згідно тієї теорії, теплота вважалася за рідку речовину.
Іншим каменем спотикання для ухвалення результатів досліджень Джоуля було те, що ученим було важко повірити в неймовірну точність його вимірювань. Але в своїх експериментах Джоуль проявляв завзятість і винахідливість. Ці властивості його характеру дуже допомогли йому уникнути помилок і отримати набагато точніші результати в порівнянні з результатами попередніх експериментів.
Важливе схвалення
Роботі Джоуля щодо теплоти, електрики і механічної роботи не додавали великого значення аж до 1847 року. На його роботу звернув увагу Вільям Томсон. (Томсон, який пізніше став відомий як лорд Кельвін, був відомим ученим, який також був присвяченим християнином).
Не дивлячись на те, що у той час йому було всього лише 23 року, Томсон вже був Професором Фізики при Університеті в Глазго
Томпсон визнав, що робота Джоуля вписувалася в об'єднуючу модель, яка вже тоді починала з'являтися у фізиці, і він із захопленням схвалив роботу Джоуля. (Фактично, робота Джоуля зробила істотний внесок в процес об'єднання окремих розділів фізики. )
Іншими ученими, які з ентузіазмом схвалили роботу Джоуля, були Майкл Фарадей і Джордж Стоукс. Вони також були християнами. Схвалення декількох видатних учених відкрило двері для Джоуля, які раніше були для нього закритою. Королівське Наукове Суспільство готувалося переглянути своє відношення до роботи Джоуля. У 1849 році, на слуханні Королівського Наукового Суспільства Джоуль прочитав свою роботу під назвою "Про механічний Еквівалент Теплоти" разом з Фарадєєм, який був його поручителем. Наступного року Королівське Наукове Суспільство опублікувало матеріали Джоуля, і він був вибраний членом цього престижного суспільства.
Нова наукова дисципліна — Термодинаміка
Принцип збереження енергії, лежачий в основі роботи Джоуля, поклав початок новій науковій дисципліні, відомій як термодинаміка. Не дивлячись на те, що Джоуль не був першим ученим, який запропонував цей принцип, він був першим, хто продемонстрував обгрунтованість цього принципу. І хоча Томсон і ряд інших учених пізніше внесли величезний внесок до термодинаміки, Джоуль по праву вважається за головного засновника термодинаміки. Він показав, що " робота може перетворюватися на теплоту з чітким співвідношенням роботи до теплоти, і що теплоту можна назад перетворити в роботу". 3
Принцип збереження енергії Джоуля ліг в основу першого закону термодинаміки. Цей закон говорить про те, що енергію не можна ні створити, ні знищити, але її можна змінювати з однієї форми в іншу.
Ісаак Азімов назвав цей закон "одним з найважливіших узагальнень в історії науки". 4 Це означає, що
загальна кількість енергії (включаючи матерію) у Всесвіті постійно. Як С. m. Хьюз відзначив в своїй книзі «Крах Еволюції»: «Цей закон рішучим чином показує, що всесвіт не створив себе!. Існуюча структура Всесвіту є результатом збереження, а не нововведення, як цього вимагає теорія еволюції». 5
Поки еволюціоністи не можуть пояснити, як утворилася ця постійна кількість энергии/материи*, Біблія дає нам таке визначення:тільки Бог може створювати ні з чого. Святе Писання також говорить про те, що Бог підтримує Своє творіння. Всі інші зміни, які відбулися в результаті людських зусиль, або сил природи, є просто перебудовою того, що вже існує.
Джоуль добре розумів релігійне значення його відкриттів. Він писав, що "абсолютно абсурдно вважати, що можна знищити сили, якими Бог наділив матерію, більш, ніж вони можуть бути створені людською діяльністю". 6 Закон збереження енергії повністю відповідав Біблії, тоді як, на думку Джоуля, деякі аспекти калоричної теорії суперечили Біблії.
У іншому місці Джоуль писав, що «явища природи, незалежно від того, чи механічні, хімічні або життєві, майже повністю полягають в постійному перетворенні. одних в інших. Таким чином, це означає, що у всесвіті зберігається порядок — нічого не порушується, нічого ніколи не втрачається, але цілий механізм, настільки складний який він є, працює рівномірно і гармонійно. те, що все існує управляється суверенною волею Бога» 7
Знаменита робота Джоуля
У своїй роботі, що мала величезне значення і опублікованою в 1848 році, Джоуль став першим ученим, який підрахував швидкість (швидкість) молекул газу
Ета рання робота про кінетичну теорію газів була пізніше продовжена іншими ученими, особливо видатним шотландським фізиком Джеймсом Максвеллом (ще один присвячений християнин).
Джоуль був одним з перших учених, який звернув увагу на необхідність в умовних одиницях електрики, і він рішучим чином рекомендував створення таких. Ця стандартизація була пізніше зроблена під керівництвом Максвелла Британською Асоціацією Розвитку Науки. У 1872 році Джоуль став Президентом Британської Асоціації і знаходився на цій посаді до 1887 року.
На знак визнання величезного внеску Джоуля у вивчення зв'язку теплоти і механічного руху, одиниця енергії (або роботи) у фізиці була пізніше названа "Джоулем".
Ефект Джоуля-Томсона
У 1852 році Джоуль почав працювати разом з Томсоном. Ці два учених ідеально доповнювали один одного — Джоуль, точний і винахідливий експериментатор, якому не діставало лише більш поглиблених знань в математиці, і Томсон, талановитий фізик, сильний в математику, який займався розвитком теорії, лежачої в основі фізики.
На жаль, в 1854 році після шести років браку дружина Джоуля померла, і він залишився один з маленькими дітьми. Незабаром після цього сім'я Джоуля продала пивоварний завод. У той час Джоуль жив відносно відокремлено. Саме тоді він зміг більше часу присвячувати науковій роботі.
Впродовж наступних восьми років Джоуль разом з Томсоном працювали над декількома важливими експериментами для підтвердження деяких прогнозів в новій науковій області, термодинаміці. Найбільш відомі експерименти стосувалися зниження температури, пов'язаного з розширенням газу без виконання зовнішньої роботи. Це охолоджування газів, яке відбувається у міру їх розширення, відоме як "Ефект Джоуля-Томсона". Цей принцип ліг в
основу розвитку холодильної промисловості.
Талановитий експериментатор
Під час спільної роботи з Томсоном Джоуль покірливо узявся за практичну роль експериментального дослідження теоретичних проблем, що піднімаються Томсоном. Це була менш престижна роль в плідній співпраці, але Джоуля більше цікавило досягнення важливих результатів, чим отримання визнання.
Проте слід пам'ятати, що Джоуль і сам вже раніше вніс величезний теоретичний внесок. Як говорить Х. Д. Стеффенс, описуючи біографію Джоуля: «Поза сумнівом, він був більший, ніж "просто чудовий експериментатор". Його експерименти відображали і надали форму його припущенням, а його припущення сміливо протистояли поширеним науковим теоріям і мали на увазі новий, точний порядок у всесвіті» 8
Джоуль показав дивовижну ясність в донесенні, виконання, опису і пояснення своїх експериментів. На відміну від багатьох учених, Джоулю було не властиво слідувати ведучим в безвихідь шляхами або робити невірні спостереження. В більшості випадків, його чернетки були достатньо зрозумілими і розбірливими для того, щоб опублікувати їх без попередньої перевірки. Це свідчило про надзвичайну ясність його розуму.
Віра в Біблію
Джоуль був щирим християнином, який був відомий своєю терплячістю і упокорюванням. Він шукав Божої волі і покорявся їй.
Він не бачив ніяких суперечностей між його науковою роботою і його вірою в істинність Писання. Багато його колег-учених розділяли його точку зору. "У відповідь на хвилю Дарвінізму, яка у той час налинула на всю країну. . . 717 учених підписали знаменний маніфест під назвою Декларація Учених в області Природознавства і Фізики, який вийшов в Лондоні в 1864 році. Ця декларація затверджувала їх віру в наукову достовірність Священного Писання. У цьому списку числилося 86 Членів Наукового Королівського Суспільства". 9 Джеймс Джоуль був одним з видатних учених, який підписав цей документ.
З 1872 року стан здоров'я Джоуля погіршав, але він все ж таки продовжував трохи працювати. Він помер 11 жовтня 1889 року в англійському містечку Сейле, недалеко від Чешира.
Джоуль твердо приймав Бога як Творця. Його слова свідчать нам про ті пріоритети, по яких він жив: «Після пізнання і покори Божій волі, наступною метою має бути пізнання Його мудрості, сили і доброта, як свідчить про це Його творіння».