Становление классического естествознания
Социально-экономические и политические условия развития науки в XIX веке в разных странах не были одинаковыми. И хотя эти условия не всегда благоприятствовали развитию науки, для XIX века в целом характерен бурный рост научных исследований и авторитет науки. Во Франции под влиянием технической революции развиваются преимущественно физико-математические и естественные науки, руководящим центром которых выступал Национальный институт. В силу технико-экономической отсталости Германии в ней не было столь же благоприятных, как во Франции, условий развития физико-математических и естественных наук - предпочтение отдавалось философии, богословию и классической филологии. Наличие большого количества университетов, территориальная близость различных факультетов друг к другу способствовали активному взаимовлиянию наук. Децентрализация университетской науки способствовала появлению большого числа научных изданий. Успехи в области техники обусловили возрастание практицизма, что привело к принижению роли теоретических исследований и усилению роли прикладных. Особенностью науки в Англии было отсутствие таких центров, как Национальный институт во Франции и широкой сети университетов, как в Германии. Поэтому научные исследования чаще велись в одиночку, в изолированных друг от друга областях науки. Но это были блестящие исследования, результаты которых из за отсутствия необходимых научно-исследовательских и учебных организаций нередко разрабатывались учеными других стран. Известный историк науки Дж.Мерц, характеризуя специфику развития науки этого периода, отмечал, что наибольшее число совершенных по форме и содержанию трудов, ставших классическими для всех времен, выполнено, вероятно, во Франции; наибольшее количество научных работ было, вероятно, выполнено в Германии; наибольшая доля идей, которые оплодотворяли науку на протяжении века, принадлежит, вероятно, Англии. [1]
Общей для всех стран характерной чертой развития науки в XIX веке можно считать усиление ее взаимодействия с техникой и экономикой.
Физика XIX века считается классической. Ньютоновский феноменологический метод стал главным инструментом познания природы. Законы классической механики и методы математического анализа демонстрировали свою эффективность. Физический эксперимент, опираясь на измерительную технику, обеспечивал небывалую ранее точность. Физическое знание все в большей мере становилось основой промышленной технологии и техники, стимулировало развитие других естественных наук. В физике изолированные ранее свет, электричество, магнетизм и теплота оказались объединенными в электромагнитную теорию. И хотя природа тяготения оставалась не выясненной, его действия можно было рассчитать. Утвердилась концепция механистического детерминизма Лапласа, исходившая из возможности однозначно определить поведение системы в любой момент времени, если известные исходные условия. Структура механики как науки казалась прочной, надежной и почти полностью завершенной - т.е. не укладывающиеся в существующие классические каноны феномены, с которыми приходилось сталкиваться. казались вполне объяснимыми в будущем более изощренными умами с позиций классической механики. Складывалось впечатление, что знание физики близко к своему полному завершению - столь мощную силу демонстрировал фундамент классической физики, несмотря на то. что в ее отдельных областях гнездились остатки старых метафизических концепций. Но постепенно последние сдают свои позиции: сходят с арены теория флюидов, теория теплорода и т.д. Проникновение физических знаний в промышленность, технику приводит к появлению прикладной физики, а исследования в ее области значительно расширяли фактический материал, требовавший теоретической интерпретации. В конце концов неспособность классической теории объяснить новые факты приводит на рубеже XIX и XX веков к научной революции в физике.
Волновая концепция света О.Френеля
Сформировавшиеся в предшествующее столетие корпускулярная и волновая концепция света в XIX веке продолжили ожесточенную борьбу. Первая опиралась на авторитет Ньютона, вторая - на авторитет Гука, Гюйгенса, Эйлера, Ломоносова. Сторонники корпускулярной концепции надеялись объяснить с ее позиций затруднения с объяснением явлений дифракции и интерференции. Т.Юнг дал это объяснение с позиций волновой концепции. Исходя из высказанных им гипотез о существовании разреженного и упругого светоносного эфира, заполняющего Вселенную, о возбуждении волнообразных движений в эфире при свечении тела, о зависимости ощущения различных цветов от различной частоты колебаний, возбуждаемых светом на сетчатке глаза, о притягивании всеми материальными телами эфирной среды, вследствие чего последняя накапливается в веществе этих тел и на малом расстоянии вокруг них в состоянии большей плотности (но не большей упругости), Юнг делает вывод о том, что излучаемый свет состоит из волнообразных движений светоносного эфира. Это дало возможность все разнообразие цветов свести к колебательным движениям эфира, а различие цветов объяснить различием частот колебаний эфира, а также сформулировать принцип интерференции.
Прямолинейное распространение света было наиболее важным аргументом в пользу корпускулярной теории. О.Френель делает новый существенный шаг в развитии волновой теории. (Идея интерференции вообще оказалась столь плодотворной, что при встрече с неизвестным видом излучения всегда стараются получить интерференцию. И если это удается, то тем самым доказывается его волновой характер.)[2]
Связав принцип Гюйгенса, (согласно которому молекулы тела, приведенные в колебание падающим светом становятся центрами испускания новых волн) с принципом интерференции, (согласно которому налагающиеся волны, в противоположность корпускулярным лучам, не обязательно усиливаются, а могут и ослабляться до полного уничтожения), Френель дал объяснение прямолинейному распространению света, показав, что лучи, поляризованные перпендикулярно друг к другу, не интерферируются. В опытах по дифракции света он установил. что дифракционные полосы появляются вследствие интерференции лучей. Принцип интерференции позволил Френелю законы отражения и преломления объяснить взаимным погашением световых колебаний во всех направлениях, за исключением тех. которые удовлетворяют закону отражения. Френелю удалось экспериментально доказать, что световые лучи могут воздействовать друг на друга, ослабляться и даже почти полностью погашаться в случаях согласных колебаний, что и позволило ему дать объяснение явлению дифракции. Френель доказал. что свет является поперечным волновым движением. Он объяснил явление поляризации света в экспериментальных исследованиях отражения и преломления света от поверхности прозрачных веществ. Им было установлено, что отражение плоско-поляризованного света от поверхности прозрачного тела сопровождается поворотом плоскости поляризации в тех случаях, когда эта плоскость не совпадает с плоскостью падения или не перпендикулярна к ней. Развивая идеи Гюйгенса о распространении волн в кристаллах. Френель заложил основы кристаллооптики.
Таким образом, борьба волновой и корпускулярной концепции света в первой половине XIX века завершается победой волновой концепции - было установлено, что свет является поперечным волновым движением. Решающим вкладом в эту победу и явилось объяснение с помощью волновой концепции явлений дифракции и интерференции света.
Концепции классической электродинамики
Классическая электродинамика, представляющая собой теорию электромагнитных процессов в различных средах и вакууме, охватывает огромную совокупность явлений, в которых главная роль принадлежит взаимодействиям между заряженными частицами, которые осуществляются посредством электромагнитного поля. Разделом электродинамики, изучающим взаимодействия и электрические поля покоящихся электрических зарядов, является электростатика.
Успехи в области электростатики, выразившиеся в установлении количественного закона электрических взаимодействий, способствовали не только накоплению экспериментальных данных в области электростатических явлений и совершенствованию электростатических машин, но и созданию математической теории электро- и магнитостатистических взаимодействий. Открытие Л.Гальвани "животного электричества", создание А.Вольта первого генератора электрического тока ("вольтова столба"), осуществление первого описания замкнутой цепи электрического тока, открытие В.В.Петровым электрической дуги, открытие Г.Дэви и М.Фарадея химического действия электрического тока, теоретические работы по электро- и магнитостатике С.Пуассона и Д.Грина были завершающими успехами в области концепции электрической жидкости, считавшейся в начале XIX века основой электростатики, подобно тому, как концепция магнитной жидкости считалась основой магнитостатики. В дальнейшем главным направлением в данной области становится электромагнитизм.
В 1820 г. Х.Эрстедом было открыто магнитное действие электрического тока - вокруг проволоки с электрическим током было обнаружено магнитное поле. Таким образом, была доказана связь электричества и магнетизма. А.Ампер, основываясь на единстве электрических и магнитных явлений, разработал первую теорию магнетизма, заложив тем самым основы электродинамики. Он различал понятия электрического тока и электрического напряжения. Основными понятиями его концепции были "электрический ток", "электрическая цепь". Под электрическим током Ампер понимал непрестанно чередующиеся внутри проводника процессы соединения и разделения противоположно заряженных частиц электричества. (Наименование единицы силы тока носит имя Ампера.) Им обосновано направление движения тока - направление положительного заряда электричества, а также установлен закон механического взаимодействия двух токов, текущих в малых отрезках проводников, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Из данного закона следовало. что параллельные проводники с токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных направлениях - отталкиваются. Из представления о магните как совокупности электрических токов, расположенных в плоскостях, перпендикулярных линии, соединяющей полюсы магнита, вытекал естественный вывод о том, что соленоид эквивалентен магниту. Революционный смысл этого вывода был очевиден: для объяснения явления магнетизма больше не требовалось наличия "магнитной жидкости" - все явление магнетизма оказалось возможным свести к электродинамическим взаимодействиям.
Следующим шагом в развитии электродинамики было открытие М.Фарадеем явления электромагнитной индукции - возбуждения переменным магнитным полем электродвижущей силы в проводниках, - ставшей основой электротехники. Важным результатом его исследований явилось также обоснование того, что отдельные виды электричества тождественны по своей природе, независимо от их источника. Открытие закона электролиза(химическое действие электрического тока прямо пропорционально количеству проходящего электричества), открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном поле. Пытаясь объяснить явление электромагнитной индукции на основе концепции дальнодействия, но встретившись с затруднениями, он высказал предположение об осуществлении электромагнитных взаимодействий по средством электромагнитного поля, т.е. на основе концепции близкодействия. Это положило начало формированию концепции электромагнитного поля, оформленную Д.Максвеллом.
Электромагнитное поле Максвелла и эфир
Теория Ньютона успешно объяснила движение планет вокруг Солнца под влиянием силы притяжения, но не смогла верно объяснить движение электрически заряженных частиц, которые взаимодействуют друг с другом через пустое пространство под влиянием электрических и магнитных сил - модель атома напоминает модель Солнечной системы (в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны). Вместе с тем между гравитационными и электромагнитными силами есть различия: электрический заряд имеет лишь некоторые частицы, а гравитацией обладают все формы вещества и энергии; электрические силы бывают положительными и отрицательными (причем частицы с разным зарядом притягиваются, а с одинаковым - отталкиваются), а тяготеющие объекты только притягиваются; при малых масштабах (например, в атоме) резко преобладают электромагнитные силы, а при больших масштабах (например, при масштабах Земли) - гравитационные. Д.К.Максвелл вывел систему уравнений, описывающих взаимосвязь движения заряженных частиц и поведение электромагнитных сил. Центральным понятием теории Максвелла было понятие поля, которое избавило от затруднений. связанных с ньютоновским действием на расстоянии. В XIX в. поле описывалось по аналогии с движущейся жидкостью, поэтому оно характеризовалось с помощью таких терминов, как "магнитный поток", "силовые линии" и т.п. Описание же поля как жидкости предполагает среду, передающую действие от одного заряда к другому. Такую гипотетическую жидкость назвали эфиром. Полагали, что эфир заполняет все пустое пространство, оставаясь невидимым. Электромагнитные поля представлялись в виде натяжений в эфире. Заряженные частицы порождали в эфире волны натяжений. скорость распространения которых, как и показали расчеты, оказалась около 300000 км/с. Свет стал рассматриваться в виде электромагнитных волн, которые вызывались движениями заряженных частиц и которые распространялись в пространстве как колебания эфира. С открытием электромагнитных волн (радиоволны, сверхвысокочастотные. тепловые (инфракрасные), ультрафиолетовые, рентгеновские волны. гамма-излучения) появилась возможность проверки ньютоновской теории пространства и времени.
Если Фарадей осуществил новый подход к изучению электрических и магнитных явлений, создав концепцию поля. которое описвывалось с помощью силовых линий, то Максвелл. введя точное понятие электромагнитного поля. сформулировал его законы.
Из концепции Френеля о поперечных световых волн неизбежно вытекали вопросы о том, в какой же среде распространяются волны, почему нет продольных световых волн, как действует эфир на движущиеся в нем тела и т.д. Было высказано множество самых разнообразных гипотез относительно поперечности световых волн (например, гипотеза абсолютно несжимаемого эфира, гипотеза неподвижного эфира, гипотеза эфира, частично увлекаемого за собой движущимися в нем телами и т.д.). Т.е. существование самого эфира сомнению не подвергалось, ибо распространение волн требовало соответствующей среды.
Максвелл создает электромагнитную теорию света, установив уравнения, объяснявшие все известные к тому времени факты с единой точки зрения. В них устанавливалась связь между изменениями магнитного поля и возникновением электродвижущей силы. Свою главную задачу Максвелл усматривал в том, чтобы привести электрические явления к области динамики. Он исходил из того, что электрический ток нельзя рассматривать иначе как действия не расположения. а распространения протекающие во времени. Причина электрических токов была им названа электродвижущей силой.
Состояние электромагнитного поля в теории Максвелла задается напряженностью электрического поля и магнитной индукцией. Исследовав связи между электрическими и магнитными полями. Максвелл из того, что изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, которое само создает электрическое поле, и количественного анализа этих соотношений пришел к выводу о распространении данного процесса в пространстве. Иными словами, переменное электрическое поле в одной точке создает магнитное поле по соседству с ней, которое в свою очередь вызывает электрическое поле чуть дальше. Поскольку этот процесс происходит снова и снова, возникает колеблющееся электромагнитное поле, непрерывно расширяющееся в пространстве. При этом электрическое или магнитное поле распространяется независимо от способов их возникновения (будь то колебания зарядов или появление магнитов). Вычисления скорости распространения поля, выполненные по данным о наблюдаемом токе, индуцированным движущимися магнитами, или по данным о создаваемом токами магнитном поле, выявили. что она равна скорости света. И хотя Максвелл в своих вычислениях использовал измерения электрических токов и магнитных полей, т.е. явлений, казалось бы, не имеющих со светом ничего общего. Он из этих измерений сделал вывод о том, что колеблющееся электрическое поле распространяется в виде волн со скоростью света. Этим была установлена связь между оптикой и электричеством - областями, которые ранее представлялись не связанными друг с другом. Оптика стала разделом электродинамики.
Таким образом, свет оказался не чем иным, как распространением электромагнитных волн. Экспериментальное их обнаружение Г.Герцем в 1880 г. означало победу электромагнитной концепции, хотя она в сознании ученых утвердилась не сразу (концепции Ньютона понадобилось для своего утверждения половина века, концепции Максвелла понадобилась для этого четверть века). Герц установил, что электромагнитные волны имеют свойство, аналогичные световым: преломление, отражение, интерференцию, дифракцию, поляризацию, ту же скорость распространения. ( Оценивая результаты своих экспериментов, Герц прекрасно понимал, что они рушат всякую теорию, считающую, что электрические силы распространяются в пространстве мгновенно.)
Концепция Максвелла явилась новым шагом в понимании природы электрических и магнитных явлений, обусловившим возможность появления радио, радиолакации, телевидения и т.д. Она дала ответ на вопрос о природе световых волн: световая волна есть волна электромагнитного поля, распространяющаяся в пространстве. Открытие Максвелла принято сравнивать по степени важности с открытием Ньютоном закона всемирного тяготения. Если Ньютон ввел понятие всеобщего поля тяготения, то Максвелл ввел понятие электромагнитного поля и установил законы его распространения.
Развитием концепции Максвелла было измерение П.Н. Лебедевым давления света, предсказанного Максвеллом, а также использование электромагнитных волн для беспроволочной связи А.С.Поповым и Г.Маркони.
Молекулярно-кинетическая концепция тепловых процессов
Как отмечалось ранее, глубокое изучение тепловых процессов предполагает учет молекулярного строения вещества. Решение такой задачи оказалось сопряженным с использованием статистических методов. Включение тепловых процессов в рамки механической картины мира привело к открытию статистических законов, в которых связи между физическими величинами носят вероятностный характер. В классической статистической механике, в отличие от динамической, задаются не координаты и импульсы частиц системы, а функция распределения частиц по координатам и импульсам, имеющая смысл плотности вероятности обнаружения наблюдаемых значений координат и импульсов.
Господство концепции теплорода и отсутствие необходимых экспериментальных фактов в первой половине XIX века задержали развитие молекулярно-кинетической теории вещества. Открытие закона сохранения энергии продемонстрировало связь теплоты с движением невидимых частиц вещества, дав толчок исследованиям, начатым Р.Бойлем, М.В.Ломоносовым, Д.Бернулли и др. М.В.Ломоносов впервые высказал идею о тепловом вращательном движении атомов. К этой идеи пришел и Г.Дэви. Д.Дальтон установил, что атомы одного и того же химического элемента обладают идентичными свойствами и, введя понятие атомного веса химического элемента, дал ему определение как отношения массы одного атома этого элемента к массе одного атома водорода. А.Авогадро установил. что идеальные газы (газы с пренебрежительно малыми силами взаимодействия между его частицами) при одинаковых температуре и давлении содержат в единице объема одинаковые количества молекул.
К середине XIX века эквивалентность теплоты и энергии признало большинство ученых, теплоту стали рассматривать как молекулярное движение. Опыты Ж.Л.Гей-Люссака и Д.Джоуля подтвердили независимость внутренней энергии идеальных газов от их объемов, что было свидетельством ничтожности действующих между их молекулами сил. Р.Клаузиус к поступательному движению молекул добавляет вращательное и внутримолекулярное колебательное движение и дает объяснение закону Авогадро как следствию того. что молекулы любых газов обладают одинаковой "живой силой" поступательного движения. Для данного этапа развития молекулярно-кинетической теории газов важным было вычисление средних значений различных физических величин, таких как скорость движения молекул, число их столкновений в секунду, длина свободного пробега и т.д., определение зависимости давления газа от числа молекул в единице объема и средней кинетической энергии поступательного движения молекул - все это дало возможность выявить физический смысл температуры как меры средней кинетической энергии молекул.
Следующий этап в развитии молекулярно-кинетической теории газов начался с работ Д.Максвелла. Благодаря введению понятия вероятности был установлен закон распределения молекул по скоростям (всякая система, вначале содержащая быстрые (горячие) и медленные (холодные) молекулы, должна прийти в такое состояние, при котором большинство молекул движется со средними скоростями, становясь чуть теплыми), что и привело к созданию статистической механики. В работах Л.Больцмана, построившего кинетическую теорию газов, было дано статистическое обоснование второго начала термодинамики - необратимость процессов была связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию. Выявление статистического смысла второго начала термодинамики имело важное значение - оказалось , что второе начало термодинамики в отличие от первого имеет границы своей применимости: оно не применимо к движению отдельной молекулы. Необратимость движения обнаруживается в поведении лишь огромного числа молекул.
Классическая статистическая механика завершается работами Д.Гиббса, создавшего метод расчета функций распределения не только для газа, но вообще для любых систем в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее же признание статистической механики наступит уже в XX веке, когда, на основе молекулярно-кинетической теории будет построена количественная теория броуновского движения (на основе исследования последнего Ж.Перрен доказал реальность существования молекул).
Таким образом, молекулярно-кинетическая концепция газа является совокупностью огромного числа молекул, движущихся во всех направлениях, соударяющихся друг с другом и после каждого столкновения изменяющих направление своего движения. В таком газе существует средняя скорость движения молекул, а поэтому должна существовать и средняя кинетическая энергия молекулы. Если это так, то теплота есть кинетическая энергия молекулярного движения и любой определенной температуре соответствует определенная кинетическая энергия молекулы. Молекулярно-кинетическая теория вещества и качественно и количественно объясняет законы газов и других веществ, установленные экспериментально. Броуновское движение, обнаруженное Р.Броуном, продемонстрировало движение частиц в жидкостях. Наблюдая через микроскопы за движением органических и неорганических веществ в воде, Броун установил, что их движение вызывается потоками в жидкости и не ее постоянным испарением, а принадлежит самим частицам. Это наблюдение выглядит противоречащим всему предыдущему опыту. Молекулярно-кинетическая теория позволила объяснить возникшую трудность.
Суть дела заключается в следующем. Частицы, движущиеся в воде и наблюдаемые в микроскоп, бомбардируются меньшими частицами, из которых состоит вода. броуновское движение возникает вследствие того, что данная бомбардировка в силу своей хаотичности и неодинаковости с разных сторон, не может быть уравновешена. Важно, таким образом, то, что наблюдаемое в микроскоп движение является результатом движения, которое в данный микроскоп ненаблюдаемо: хаотичный характер поведения больших частиц отражает хаотичность поведения молекул, из которых состоит вещество. Отсюда ясно, что количественное изучение броуновского движения позволяет глубже проникнуть в кинетическую теорию вещества. Поскольку бомбардирующие молекулы имеют определенные массы и скорости, то изучение броуновского движения позволяет определить массу молекулы.
Концепции классической термодинамики
а) Возникновение термодинамики
Тепловые явления отличаются от механических и электромагнитных тем, что законы тепловых явлений необратимы (т.е. тепловые процессы самопроизвольно идут лишь в одном направлении) и что тепловые процессы осуществляются лишь в макроскопических масштабах, а поэтому используемые для описания тепловых процессов понятия и величины (температура, количество теплоты и т.д.) также имеют только макроскопический смысл (о температуре, например, можно говорить применительно к макроскопическому телу, но не к молекуле или атому). Вместе с тем знание строения вещества необходимо для понимания законов тепловых явлений.
Тело, рассматриваемое с термодинамической позиции, является неподвижным, не обладающим механической энергией. Но такое тело обладает внутренней энергией, складывающейся из энергий движущихся электронов и т.д. Это внутренняя энергия может увелич
Представления о теплоте как форме движения мельчайших частиц материи появилось еще в XVII веке. Этих воззрений придерживались Бэкон, Декарт, Ньютон, Гук, Ломоносов. Однако и в XIX веке концепция теплорода разделялась многими учеными. В конце XVIII века Б.Томпсон (граф Румфорд) обнаружил выделение большого количества тепла при высверливании канала в пушечном стволе, что посчитал доказательством того, что теплота является формой движения. Получение теплоты с помощью трения подтвердили опыты Г.Дэви. Б.Томпсон показал, что из ограниченного количества материи может быть получено неограниченное количество теплоты.
Возникновение собственно термодинамики начинается с работы С.Карно (сам термин "термодинамика" введен Б.Томпсоном). Исследуя практическую задачу получения движения из тепла применительно к паровым машинам, он понял, что принцип получения движения из тепла необходимо рассматривать не только по отношению к паровым машинам, но к любым мыслимым тепловым машинам. Так был сформулирован общий метод решения задачи - термодинамический, заложивший основу термодинамики. Определяя коэффициент полезного действия тепловых машин, Карно ввел свой знаменитый цикл, состоящий из двух изотермических (происходящих при постоянной температуре) и двух адиабатических (без притока и отдачи тепла) процессов. КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа и т.д.) и определяется температурами теплоотдатчика и теплоприемника. КПД любой тепловой машины не может быть при тех же температурах теплоотдатчика и теплоприемника выше КПД цикла Карно.
Карно первым вскрыл связь теплоты с работой. Но он исходил из концепции теплорода, признававшей теплоту неизменной по количеству субстанцией. Вместе с тем Карно уже понял, что работа паровой машины определяется всеобщим законом перехода тепла от более высоких к более низким температурам, т.е. что не может быть беспредельного воспроизведения движущей силы без затрат теплорода. Таким образом, работа представлялась как результат перепада теплорода с высшего уровня на низшие. Иначе говоря, теплота может создавать работу лишь при наличии разности температур. По своему смыслу это и составляет содержание второго начала термодинамики. КПД тепловой машины оказался зависимым не от рабочего вещества, а от температуры теплоотдатчика и теплоприемника. Все это позволило Карно прийти к признанию принципа невозможности создания вечного двигателя первого рода (т.е. непрерывно действующей машины, которая, будучи однажды запущенной, совершала бы работу без притока извне).
Осознавая недостатки теории теплорода, Карно в конце концов отказывается от признания теплоты неизменной по количеству субстанцией и дает значение механического эквивалента теплоты. Но публикация этого вывода была осуществлена уже после признания закона сохранения энергии, поэтому данный вывод не сыграл той роли. которую мог сыграть. будучи опубликованным ранее. Но так или иначе Карно заложил основы термодинамики как раздела физики, изучающего наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика стала развиваться на основе фундаментальных принципов или начал, являющихся обобщением результатов многочисленных наблюдений и экспериментов.
б) Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам) гласит: при сообщении термодинамической системе (например, пару в тепловой машине) определенного количества теплоты в общем случае происходит при приращении внутренней энергии системы и она совершает работу против внешних сил. Выше отмечалось, что первым, кто поставил теплоту в связь с работой, был Карно, но его работа в силу запоздалой публикации не оказала решающего воздействия на формирование первого начала термодинамики. Однако идея о том, что теплота - не субстанция, а сила (энергия), одной из форм которой и является теплота, причем эта сила, в зависимости от условий, выступает в виде движения, электричества, света, магнетизма, теплоты, которые могут превращаться друг в друга, существовала в умах исследователей. Для превращения этой идеи в ясное и точное понятие, необходимо было определить общую меру этой силы. это сделали, независимо друг от друга, Р.Майер, Д.Джоуль и Г.Гельмгольц.
Р.Майер первым сформулировал закон эквивалентности механической работы и теплоты и рассчитал механический эквивалент теплоты (1842 г.). Д.Джоуль экспериментально подтвердил предположение о том, что теплота является формой энергии и определил меру превращения механической работы в теплоту. Г.Гельмгольц в 1847 г. математически обосновал закон сохранения энергии, показав его всеобщий характер. Подход всех трех авторов закона сохранения энергии был различным. Майер отталкивался больше от общих положений, связанных с аналогией между "живой силой" (энергией), которую приобретали тела при своем падении в соответствии с законом всемирного тяготения, и теплотой, которую отдавали сжатые газы. Джоуль шел от экспериментов по выявлению возможности использования электрического двигателя как практического источника энергии (это обстоятельство и заставляло его задуматься над вопросом о количественной эквивалентности работы и теплоты). Г.Гельмгольц пришел к открытию закона сохранения энергии, пытаясь применить концепцию движения Ньютона к движению большого числа тел, которые находятся под влиянием взаимного притяжения. Его вывод о том, что сумма силы и напряжения (т.е. кинетической и потенциальной энергией) остается постоянной, является формулировкой закона сохранения энергии в его наиболее общей форме. Этот закон - величайшее открытие XIX века. Механическая работа, электричество и теплота - различные формы энергии. Д.Бернал так охарактеризовал его значение: "Он объединил много наук и находился в исключительной гармонии с тенденциями времени. Энергия стала универсальной валютой физики - так сказать, золотым стандартом изменений, происходивших во вселенной. То, что было установлено, представляло собой твердый валютный курс для обмена между валютами различных видов энергии: между калориями теплоты. килограмметрами работы и киловатт-часами электричества. Вся человеческая деятельность в целом - промышленность, транспорт, освещение и, в конечном счете, питание и сама жизнь - рассматривалась с точки зрения зависимости от этого одного общего термина - энергия."[3]
в) Второе начало термодинамики - закон возрастания энтропии: в замкнутой (т.е. изолированной в тепловом и механическом отношении) системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума. Существуют и другие эквивалентные формулировки второго начала термодинамики, принадлежащие разным ученым: невозможен переход теплоты от тела более холодного к телу, более нагретому, без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р.Клаузиус); невозможно создать периодически действующую, т.е. совершающую какой-либо термодинамический цикл, машину, вся работа которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (механической работе) и соответствующему охлаждению теплового резервуара (В.Томсон, М.Планк); невозможно построить вечный двигатель второго рода, т.е. тепловую машину, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-либо одного "неисчерпаемого" источника (океана, атмосферы и т.д.) в работу (В.Оствальд).
В.Томсон (лорд Кельвин) сформулировав принцип невозможности создания вечного двигателя второго рода, в 1852 году пришел к формированию концепции "тепловой смерти" вселенной. Ее суть раскрывается в следующих положениях. Во-первых, во вселенной существует тенденция к расточению механической энергии Во-вторых восстановление механической энергии в прежнем количестве не может быть осуществлено. В-третьих, в будущем Земля очутится в непригодном для жизни человека состоянии. Через 20 лет Клаузиус приходит к тому же выводу, сформулировав второе начало термодинамики в виде: энтропия вселенной стремится к максимуму. (Под энтропией он понимал величину, представляющую собой сумму всех превращений, которые должны были иметь место, чтобы привести систему в ее нынешнее состояние.)
Суть в том, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать или оставаться постоянной. Иначе говоря, во всякой изолированной системе тепловые процессы однонаправлены, что и приводит к увеличению энтропии. Стоит энтропии достигнуть максимума, как тепловые процессы в такой системе прекращаются, что означает принятие всеми телами системы одинаковой температуры и превращение всех форм энергии в тепловую. Наступление состояния термодинамического равновесия приводит к прекращению всех макропроцессов, что и означает состояние "тепловой смерти".
Для распространения второго начала термодинамики на другие необратимые процессы было введено понятие энтропии как меры беспорядка. Для изолированных систем (не пропускающих тепло) второе начало термодинамики можно выразить следующим образом: энтропия системы никогда не уменьшается. Система, находящаяся в состоянии равновесия, имеет максимальную энтропию.
Понятие энтропии связывают и с понятием информации. Система, находящаяся в упорядоченном состоянии, содержит много информации, а неупорядоченная система содержит мало информации. Так, например, текст книги содержит много информации, а случайный набор букв не несет информации. Информацию поэтому и отождествляют с отрицательной энтропией (или негэнтропией). При росте энтропии информация уменьшается.
Среди множества выдвинутых против этого вывода возражений наиболее известным было возражение Максвелла. Он исходил из того, что второе начало имеет ограниченную область примерения. Максвелл считал второе начало термодинамики справедливым, пока мы имеем дело с телами, обладающими большой массой, когда нет возможности различать в этих массах отдельные молекулы и работать с ними. Он предложил проделать мысленный эксперимент - представить себе существо, способное следить за каждой молекулой во всех ее движениях, и разделить какой-либо сосуд на две части перегородкой с маленьким отверстием в ней. Это существо (названное "демоном Максвелла"), способное различать отдельные молекулы, будет попеременно то открывать, то закрывать отверстие таким образом, чтобы быстро движущиеся молекулы могли переходить в другую половину. В этом случае "демон Максвелла" без затраты работы смог бы повысить температуру в первой половине сосуда и понизить во второй вопреки второму началу термодинамики.
Данный процесс асимметричен во времени - без внешнего вмешательства он не может стать обратимым. Т.е. бессмысленно ожидать в этом случае, что газы вернутся в первоначальное положение. Можно сказать, что в природе порядок стремится уступить место беспорядку. Однако можно привести примеры, которые как будто бы противоречат данному принципу возрастания энтропии. Так, живые системы в своем развитии усложняются, вырастающие из жидкости кристаллы являются упорядоченнее этой жидкости и т.д. Однако полная энтропия системы вместе с окружающей средой возрастает, ибо биологические процессы осуществляются за счет энтропии солнечного излучения и т.д.
Л.Больцман, предпринявший попытку объяснить, почему порядок уступает место беспорядку, сформулировал H-теорему, являющуюся результатом соединения двух подходов к приближению газа к состоянию равновесия - макроскопического (законов ньютоновской механики, описывающих движение молекул) и микроскопического (исходящего из представления газа как стремящегося к беспорядочному перераспределению). Из теоремы следовал вывод о том, что энтропия может только возрастать - таково поведение термодинамических систем во времени.
Однако с Н-теоремой Больцмана оказался связанным парадокс, вокруг которого возникла дискуссия. Суть заключается в том, что с помощью одной основанной на механике Ньютона молекулярной теории доказать постоянный рост энтропии замкнутой системы нельзя, поскольку ньютоновская механика симметрична во времени - любое движение атомов, основанное на законах ньютоновской механики. может быть представлено как происходящее в обратном направлении. Т.к. асимметрию нельзя вывести из симметрии, то теорема Больцмана (которая на основе лишь одной механики Ньютона утверждает, что возрастание энтропии асимметричного во времени) не может быть верной - для доказательства необходимо было к законам механики добавить и асимметрию. Так что чисто механическая интерпретация закона возрастания энтропии оказывалась несостоятельной. На это первым обратили внимание Й.Лошмидт и Э.Цермело.
При выводе Н-теоремы Больцман кроме механики Ньютона опирался на предположение о молекулярном хаосе, которое, однако, не всегда верно. По теории вероятности, возможность того, что молекулы газа в упомянутом ранее сосуде будут двигаться не хаотично, а устремятся в какую-то одну его половину, не является нулевой, хотя и исчезающе мала. Поэтому можно сказать, что в принципе могут быть случаи, когда энтропия убывает, а хаотическое движение молекул будет упорядочиваться. Таким образом, Н-теорема Больцмана описывает механизм перехода газа из состояния с низкой энтропией в равновесное, но не объясняет, почему это происходит в одном и том же направлении во времени, а именно из прошлого в будущее. А раз это так, то больцмановская модель лишается временной асимметрии.
Но временная асимметрия - это реальный факт. Упорядоченность реальных систем может возникать за счет внешних воздействий, а не за счет внутренних беспорядочных флуктуаций (дом, например, воздвигается строителями, а не в результате внутренних хаотических движений). В реальности все системы формируются под воздействием окружающей среды. Для различения реальных систем, которые, отделясь от окружающей Вселенной, приходят в состояние с низкой энтропией, и больцмановских постоянно изолированных от окружающей среды систем, Г.Рейхенбах назвал первые ветвящимися структурами - в их иерархии упорядоченность каждой зависит от предыдущей. Ветвящаяся структура ведет себя асимметрично во времени по причине скрытого воздействия извне. При этом причина асимметрии - не в самой системе, а в воздействии. В реальном мире больцмановских систем нет.
Асимметричные во времени процессы существуют и в областях за пределами термодинамики. Примером таких процессов могут служить волны (в том числе радиоволны). Так, радиоволны распространяются от передатчика в окружающее пространство, но не наоборот. Аналогично обстоит дело с распространением волн от брошенного в пруд камня. Волны, бегущие от источника (предположим, брошенного в пруд камня) в разные стороны, называют запаздывающими. В принципе возможны и опережающие волны, которые могут возникнуть тогда, когда возмущения сначала проходят через удаленную точку, а затем сходятся в месте распространения источника волны. Изолированный пруд есть симметричная во времени система, как и больцмановский сосуд с газом. Брошенный в него камень создает ветвящуюся структуру. Радиоволна же обратно не вернется, ибо распространяется в безграничном пространстве. Здесь мы имеем дело с неограниченной диссипацией (рассеянием) волн и частиц, являющей собой еще один тип необратимой временной асимметрии. Значит, образование ветвящихся структур и необратимая асимметрия бесконечного волнового движения делают необходимым учет крупномасштабных свойств Вселенной.
Таким образом, дискуссия по поводу второго начала термодинамики привела к выводу, что законы микромира ситуацию с "демоном Максвелла" делают неосуществимой, но вместе с тем она способствовала уяснению того, что второе начало термодинамики является законом статистическим.
г) Третье начало термодинамики (теорема Нернста) : энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной. Другие формулировки теоремы: при стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояния системы не изменяют ее энтропии; при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры абсолютного нуля. М.Планк дополнил теорему гипотезой, согласно которой энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Из теоремы вытекают важные следствия о свойствах веществ при температурах, близких к абсолютному нулю: приобретают нулевое значение удельные теплоемкости при постоянных объеме и давлении, термический коэффициент расширения и давления. Кроме того, из теоремы следует недостижимость абсолютного нуля температуры при конечной последовательности термодинамических процессов.
Если первое начало термодинамики утверждает, что теплота есть форма энергии, измеряемая механической мерой, и невозможность вечного двигателя первого рода, то второе начало термодинамики объявляет невозможным создание вечного двигателя второго рода. Первое начало ввело функцию состояния - энергию, второе начало ввело функцию состояния - энтропию. Если энергия закрытой системы остается неизменной, то энтропия этой системы, состоящая из энтропий ее частей, при каждом изменении увеличивается - уменьшение энтропии считается противоречащим законам природы. Сосуществование таких независимых друг от друга функций состояния, как энергия и энтропия, дает возможность делать высказывания о тепловом поведении тел на основе математического анализа. Поскольку обе функции состояния вычислялись лишь по отношению к произвольно выбранному начальному состоянию, определения энергии и энтропии не были совершенными. Третье начало термодинамики позволило устранить этот недостаток. Важное значение для развития термодинамики имели установленные Ж.Л.Гей-Люссаком законы - закон теплового расширения и закон объемных отношений. Б.Клапейрон установил зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа (давлением, объемом и температурой), обобщенное Д.И.Менделеевым.
Таким образом, концепции классической Термодинамики описывают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно, поэтому время в основные уравнения не входит) процессы. Термодинамика неравновесных процессов возникает позднее - в 30-х гг. ХХ века. В ней состояние системы определяется через плотность, давление, температуру и другие локальные термодинамические параметры, которые рассматриваются как функции координат и времени. Уравнения неравновесной термодинамики описывают состояние системы во времени.
Возникновение предпосылок атомной и ядерной физики
Концепции атомной и ядерной физики будут развертываться в ХХ столетии, но события, давшие им толчок, произошли в конце XIX столетия. На стыке XIX и ХХ вв. в науке свершились открытия, заставившие заколебаться сложившуюся картину мира. Представлениям, основанным на классической механике, суждено было уступить место новой, остающейся до сих пор во многом не завершенной картине мира. События, положившие начало процессу смены картины мира, связаны с открытием рентгеновских лучей и радиоактивности (1895-1896 гг.), открытием электрона (1897 г.), структуры кристалла (1912 г.), нейтрона (1932 г.), деления ядра атома (1938 г.) и т.д., а также с теоретическими работами: квантовой теорией М.Планка (1900 г.), специальной теорией относительности А.Эйнштейна (1905 г.), атомной теорией Резерфорда - Н.Бора (1913 г.), общей теорией относительности А.Эйнштейна (1916 г.), волновой механики Л.де Бройля и Э.Шредингера (1923-1926 гг.) и т.д. Поскольку в основу изложения развития физических концепций был положен и хронологический принцип, то и научные открытия, происшедшие в конце XIX столетия (хотя главные события, последующие за ними, будут происходить уже в ХХ столетии), целесообразно рассмотреть в русле развития физики конца XIX столетия.
Конец XIX века демонстрировал наличие теории, удовлетворяющей практическим потребностям. Явления электромагнетизма использовались в осветительных и силовых устройствах. Термодинамические концепции привели к созданию двигателя внутреннего сгорания и химических установок, Электромагнитная теория вызвала к жизни радио. Эти достижения были практической реализацией утвердившихся научных знаний, от которых трудно было ожидать чего-то принципиально нового. Так что радикальные сдвиги следовало ожидать в тех областях физики, которые до сих пор находились в тени и в которых наблюдались какие-то явления, не укладывавшиеся в существующие физические концепции. Область физики, занимавшаяся изучением электрических разрядов, оказалась именно такой. Однако проводившиеся с электрическими разрядами в вакууме опыты привели к интересным результатам, а электротехническая промышленность обнаружила потребность в совершенствовании вакуумной техники. Все это усилило интерес к исследованиям в этой области физики.
Первым результатом усиления этого интереса было открытие У.Круксом катодных лучей, которые он назвал лучистой формой материи. Д.Стоней назвал катодные лучи электронами, Ж.Перрен обнаружил у них отрицательный заряд, а Д.Томсон измерил их скорость. Следующим шагом было совершено непредвиденное открытие К.Рентгеном - обнаружение Х-лучей (получивших название рентгеновских), исходивших из катодно-лучевой разрядной трубки. Это открытие, помимо практических перспектив, имело важное значение для других областей физики. Д.Томсон установил, что не только электроны, которые ударялись о какое-либо вещество, порождали рентгеновские лучи, но и последние при ударе о вещество порождают электроны. Тот факт, что электроны могли извлекаться из различных веществ, свидетельствовало о принадлежности их к электрической материи. Поскольку она состояла из отдельных частиц (атомов), то это побудило Д.Томсона обратиться к раскрытию внутренней структуры атома. Существование электрона - заряженной частицы с массой. которая меньше массы атома и которая появляется из вещества при определенных условиях, наводила на мысль о том, что эта частица является структурным элементом атома. А если атом электрически нейтрален, то должен быть структурный элемент и с положительным зарядом.
Первая модель атома, предложенная В.Томсоном и затем Д.Томсоном, включала шарообразное облако положительного заряда, внутри которого находятся электроны, расположенные в этом облаке концентрическими кольцами. Данная модель просуществовала недолго. Но это был первый шаг в раскрытии структуры атома. Следующие модели атома появились уже в ХХ веке (модель Э.Резерфорда и модель Н.Бора).
Открытие рентгеновских лучей было случайным. Открытие радиоактивности, последовавшее вслед за открытием рентгеновских лучей, также оказалось случайным. А.Беккерель пытался установить, не излучаются ли подобные лучи другими телами. Из различных веществ, которыми он располагал, Беккерель случайно избрал соли урана. лучи, исходящие из урана, были радиоактивными, причем получались без каких-либо устройств - они испускались самим радиоактивным веществом. Пьер и Мария Кюри выделили еще более сильные радиоактивные элементы - полоний и радий. Э.Резерфорд, изучая характер радиоактивного излучения, открывает альфа-лучи и бета-лучи и объясняет их природу. М.Планк установил. что атомы отдают энергию не непрерывно, а порциями, т.е. существование предельного количества действия, контролировавшего количественно все энергетические обмены в атомных системах (постоянная Планка - h, равная 6,6×10-27 эрг/сек. К.Лоренц создает электронную теорию, синтезировавшую идеи теории поля атомной теории. И хотя первоначально он не употребляет термина "электрон", а говорит о положительно и отрицательно заряженных частицах вещества. открытие радиоактивности и превращения атомов поколебало физические и химические представления XIX века. Это касалось закона неизменных элементов, установленного Лавуазье. Самопроизвольный радиоактивный распад в условиях отсутствия опытных данных о синтезе новых атомов мог истолковываться как односторонний процесс постепенного разрушения вещества во Вселенной. Открытие первой субатомной частицы - электрона - выглядело аргументом в пользу отвергнутых представлений об электрической субстанции. Казалось, что был поставлен под сомнение и закон сохранения энергии. Возникшая ситуация свидетельствовала о том, что новые экспериментальные факты не укладываются в существовавшую физическую парадигму. Таким образом, обозначились истоки революционных преобразований в физических концепциях. Первый этап этих преобразований начался в конце XIX века. Последующие этапы развертывались уже в XX веке.
[1]
Цит. по: ДорфманЯ.Г. Всемирная история физики с начала XIX до середины XX вв. М.,1979. С.8.
[2]
Лауэ М. История Физики.М.,1956.С.46.
[3]
Бернал Дж. Наука в истории общества.М.,1956.С.329.