Введение

Шотландский инженер-строитель и физик Джон Джеймс Уотерстон (1811 – 18 июня 1883) был шотландским физиком и одним из забытых пионеров кинетической теории газов.

Ранние годы

Отец Уотерстона, Джордж, был производителем воска для печатей и канцелярских товаров в Эдинбурге, родственником семьи Сэндеманов – Роберта и его брата Джорджа. Джон родился шестым из девяти детей в семье, живо интересующейся литературой, наукой и музыкой. Он получил образование в Эдинбургской высшей школе, после чего стал учеником инженера-строителя у месье Грейнгера и Миллера. Его работодатели поощряли посещение лекций в Эдинбургском университете. Он изучал математику и физику под руководством сэра Джона Лесли, а также посещал лекции по химии, анатомии и хирургии и стал активным участником студенческого литературного общества. В девятнадцатилетнем возрасте Уотерстон опубликовал статью, в которой предлагал механическое объяснение гравитации, рассматривающее действие на расстоянии как результат столкновений частиц и обсуждая взаимодействие между линейным и вращательным движением, что впоследствии нашло отражение в его кинетической теории. Он предположил, что эфир состоит из маленьких цилиндрических частиц, и столкновения с крупными частицами материи передают вращательное движение в линейное, локально увеличивая скорость частиц эфира, что, по его мнению, снижает плотность эфира и создает силу притяжения. В возрасте двадцати одного года Уотерстон переехал в Лондон, где работал геодезистом железных дорог, стал членом Института гражданских инженеров и опубликовал статью о графическом методе планирования земляных работ. Поездки и перерывы в работе, связанные с геодезией, оставляли Уотерстону мало времени для учебы, поэтому он поступил в гидрографический отдел Адмиралтейства под руководством Фрэнсиса Бофорта. Именно Бофорт в 1839 году поддержал кандидатуру Уотерстона на должность морского инструктора для кадетов Ост-Индской компании в Бомбее. Эта должность подошла Уотерстону, так как она позволила ему продолжать чтение и исследования в библиотеке колледжа Гранта.

Кинетическая теория

Основываясь на своей теории механического объяснения гравитации, он первым разработал кинетическую теорию, независимо от более ранних и столь же незамеченных частичных работ Даниэля Бернулли и Джона Герапата. Он опубликовал её за свой счет в своей книге «Мысли о психических функциях» (1843). Он правильно вывел все следствия из предположения, что давление газа является функцией числа молекул в единице объема (N), молекулярной массы (M) и средней квадратичной скорости молекул. Он установил соотношение:

Его побудило размышлять о волновой теории тепла по аналогии с волновой теорией света, а также с некоторыми экспериментами Джеймса Форбса и Македонио Меллони по лучистому теплу. Его утверждение о том, что в смешанных средах средняя квадратичная скорость молекул обратно пропорциональна удельному весу молекул, рассматривается как первое формулирование теоремы об равнораспределении энергии по степеням свободы для поступательного движения. Уотерстон понял, что, хотя кинетическая энергия отдельной молекулы со скоростью равна, тепловая энергия пропорциональна температуре. Это понимание привело его к выводу закона идеального газа:

Публикация не имела особого влияния, возможно, из-за названия. Он представил свою теорию, при поддержке Бофорта, в Королевское общество в 1845 году, но она была отклонена. Рецензент, сэр Джон Уильям Любок, написал, что работа – это «полная бессмыслица». Не имея возможности получить копию своей статьи (он не сделал копию для себя перед подачей в Королевское общество), он переписал работу и попытался опубликовать её в другом месте, привлекая мало внимания, за исключением внимания Уильяма Джона Маккуорна Рэнкина и Германна фон Гельмгольца, через которых она, возможно, повлияла на Августа Кронига. Теория получила признание только тогда, когда её предложили Рудольф Клаузиус и Джеймс Клерк Максвелл в 1850-х годах, к тому времени вклад Уотерстона был забыт.

Поздние годы

В 1857 году он вернулся в Эдинбург, чтобы развивать свои собственные оригинальные физические идеи, но столкнулся с непреклонным пренебрежением и отсутствием поддержки со стороны научного сообщества. Пренебрежение усугублялось его растущей замкнутостью и неприязнью к научным обществам. Он занимался акустикой, астрономией, механикой жидкостей и термодинамикой. В 1858 году, спустя 27 лет после публикации своей теории механического объяснения гравитации и 15 лет после публикации кинетической теории, он продолжал призывать других к изучению его идей о гравитации, но безуспешно. 18 июня он покинул свой дом в Эдинбурге и утонул в расположенном неподалеку канале, предположительно упав в него из-за теплового удара, вызванного астрономическими наблюдениями.

Признание после смерти

Как уже говорилось выше, статья Уотерстона, представленная в Королевское общество, была отклонена. Спустя несколько лет после смерти Уотерстона лорду Рэлею (в то время секретарю Королевского общества) удалось извлечь её из архивов Королевского общества. В конечном итоге статья Уотерстона была опубликована в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society в 1892 году (см. ниже). Рэйли полагал, что случай Уотерстона был не исключением, а скорее правилом: «История [статьи] Уотерстона показывает, что весьма спекулятивные исследования, особенно от неизвестного автора, лучше всего представлять миру не через научное общество, которое по природе своей не спешит включать в свои публикации материалы сомнительной ценности. Возможно, можно даже сказать, что молодому автору, верящему в свои силы, обычно было бы разумно сначала добиться признания в научном мире работой с ограниченным объемом и легко оцениваемой ценностью, прежде чем браться за более масштабные задачи».