Но не следует думать, что все свое время юноши посвящали учебе и развлечениям. С пятнадцатилетнего возраста Джеймс работал на заводе отца, здоровье которого оставляло желать лучшего, а, следовательно, требовалась помощь сыновей. Джоуль довольно долго оставался ученым-любителем. Основным местом приложения его талантов, времени и сил было отцовское предприятие. Исследования Джеймс проводил в свободное время, зачастую по ночам. Первые серьезные работы были посвящены изучению электричества и магнетизма. В 19 лет он построил оригинальный электромагнитный двигатель, описание которого было напечатано в журнале «Анналы электричества». Эта публикация и стала первой работой Джеймса Джоуля. А уже в 1840 году молодой ученый сделал первое открытие. Он обнаружил эффект магнитного насыщения и определил значение предела намагничивания для железа. Джоуль тут же нашел применение полученному результату и сконструировал электромагниты большей силы, чем имевшиеся до того. А далее открытия пошли одно за другим. В 1842 году Джоуль обнаружил и описал явление магнитострикции – изменения размеров и формы кристаллического тела при намагничивании. Параллельно ученый занялся изучением тепловых эффектов электрического тока. И здесь результат не заставил себя долго ждать. В 1841 году Джоуль обнаружил важную закономерность: количество тепла, выделяющееся в проводнике при прохождении через него электрического тока, пропорционально сопротивлению проводника, квадрату силы тока в цепи и времени прохождения тока. В 1842 году независимо от Джоуля к такому же заключению пришел российский ученый Эмилий Христианович Ленц. Англичанин опубликовал свои результаты только в 1843 году в работе «Тепловой эффект магнитоэлектричества и механическая ценность теплоты», поэтому приоритет в данном случае установить сложно. Впрочем, этот вопрос особых споров не вызвал, и поэтому сейчас это соотношение называют законом Джоуля – Ленца.

Но почему же Джеймс не спешил обнародовать информацию о своем открытии? Дело в том, что он рассматривал этот закон только как промежуточный результат на пути к решению довольно-таки смелой задачи более глобального масштаба. Он хотел доказать, что существует количественное соотношение между силами разной природы, приводящими к выделению теплоты. Поэтому параллельно английский ученый начал исследования еще в одной области физики: с 1843 года он всесторонне изучал различные температурные явления, что привело к нескольким фундаментальным открытиям. В 1843 году Джоуль экспериментально показал, что теплоту можно получить за счет механической работы, и вычислил механический эквивалент теплоты [80]. К необходимости введения такого понятия Джеймс пришел еще раньше: ученые испытывали трудности из-за невозможности привести механическую работу и количество теплоты к одним единицам измерения. Продолжив исследования в этой области, Джоуль открыл еще один закон: внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и не зависит от плотности (объема) газа. Теперь этот закон называют именем Джоуля.

Что же касается личной жизни ученого, то в 1847 году Джеймс Джоуль женился на Эмили Граймс. К сожалению, семейное счастье Джоуля разрушила трагедия. В 1854 году Эмили умерла, оставив двоих детей: сына Бенджамина Артура и дочь Алису Эмилию. Всю оставшуюся жизнь Джеймс Джоуль оставался вдовцом.

В 1847 году произошло еще одно важное событие: Джоуль познакомился с Уильямом Томсоном. С будущим бароном Кельвином он впервые увиделся на встрече Британской ассоциации по распространению научных знаний в Оксфорде. Джоуль делал очередной доклад о механическом эквиваленте теплоты. Позже Томсон писал: «На встрече в Оксфорде я познакомился с Джоулем, и это знакомство вскоре перешло в дружбу, которая продолжалась на протяжении всей жизни».

Знаменательная встреча произошла в Альпах, где Джеймс и Эмили проводили медовый месяц. По дороге супруги совершенно случайно встретили Томсона, который ехал в горы на отдых. Трудно сказать, насколько рада была этой встрече Эмили – ведь ученые тут же занялись исследованиями, в частности, продолжая изучение тепловых явлений, приложили немало усилий, чтобы определить разницу температур воды в верхней и нижней части водопада Каскад де Саланш. Правда, Томсон позже писал, что жена его коллеги питала к подобной деятельности живой интерес.

Сотрудничество двух выдающихся ученых своего времени оказалось очень плодотворным. Например, совместно они пришли к выводу, что метеор [81]– это явление, связанное с сильным нагреванием и воспламенением тела, с громадной скоростью входящего в атмосферу. Помимо активной переписки, в ходе которой Джоуль и Томсон обменивались идеями, они провели и немало совместных исследований. В частности, в 1853–1854 годах коллеги, изучая тепловые явления и поведение газов в различных условиях, открыли эффект, получивший название эффект Джоуля – Томсона. Заключается он в охлаждении газов при медленном адиабатическом (без теплообмена с окружающей средой) протекании их через пористую перегородку. Этот эффект используется для сжижения газов. Также ученые посвятили много времени исследованиям тепловых явлений в жидкостях. Плодом их совместных усилий стала и термодинамическая температурная шкала, носящая имя Кельвина.

Конечно же, Джеймс Джоуль не оставлял и самостоятельных изысканий. В 1848 году он выступил в Манчестерском литературно-философском обществе с важнейшим докладом, который стал одним из основополагающих в становлении кинетической теории газов. Джоуль – ярый противник концепции теплорода, все еще бытовавшей в то время, не просто теоретически оспаривал ее положения, но и подтверждал свою точку зрения расчетами. В дальнейшем ученый показал, что скорости движения частиц при определенной температуре пропорциональны квадратному корню температуры (при этом должна быть использована термодинамическая шкала). Параллельно Джоуль много занимался теорией распространения звука и вычислением его скорости. Не вдаваясь в подробности, следует сказать, что здесь он смог устранить несколько ошибок, допущенных его предшественниками.

Будучи талантливым экспериментатором и незаурядным инженером, Джеймс Джоуль также приложил много усилий для усовершенствования существующих и создания оригинальных научных приборов. Он усовершенствовал гальванометр, на порядок увеличил точность измерения температуры и принципиально улучшил конструкцию термометров, приспособленных для измерения температуры атмосферы, модернизировал барометр, создал один из первых ртутных вакуумных насосов.

Доклад 1847 года о механическом эквиваленте теплоты, который Джоуль сделал в Британской ассоциации по распространению научных знаний, произвел впечатление не только на Томсона. На заседании присутствовала и более значимая на тот момент фигура – Майкл Фарадей, который отдал должное идеям ученого-самоучки. В 1849 году по инициативе Фарадея Джоуль выступал с докладом о механическом эквиваленте теплоты в Королевском обществе. В следующем году Общество опубликовало материалы доклада, и Джеймс Джоуль стал его членом. В 1852 году ученому была присуждена золотая медаль Королевского общества. Позже научное признание выразилось еще в двух наградах: в 1866 году Королевское общество удостоило его медалью Копли [82], а в 1880 году Джоуль был награжден медалью Альберта от Общества искусств, которую ему лично вручил принц Уэльский.

Долгое время Джеймс Джоуль фактически оставался ученым-любителем. Его основной профессией по-прежнему было пивоварение. Но в 1854 году, после смерти жены, Джоуль наконец продал отцовский завод и целиком посвятил себя науке. Дальнейшие биографические сведения об ученом довольно скудны: и без того не очень общительный Джоуль после кончины супруги стал еще более замкнут. Подавляющую часть времени он уделял самостоятельным изысканиям: в основном, продолжал начатые ранее исследования. В частности, много усилий ученый приложил для уточнения значения механического эквивалента тепла.