Глава шестая. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ И ТЕХНИКА

МОЖЕТ ЛИ МЕХАНИКА ОБЪЯСНИТЬ ВСЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИРОДЫ?

Со времен Галилея и Ньютона до начала XX в., т. е. около трех столетий, большинство ученых было убеждено, что все науки о природе в конце концов могут быть сведены к механике, что законы механики в конечном итого являются всеобъемлющими, тотальными, что механика является, так сказать, наукой наук. Такому представлению в большой мере содействовали идеи Коперника, Галилея и особенно Ньютона, чьи дарования были столь велики, а его система основ механики и теория движения небесных тел представлялись убедительными и бесспорными. В середине XIX в. знаменитый немецкий ученый Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821 - 1894) писал: «Следовательно, конечную задачу физической науки мы видим в том, чтобы свести физические явления к неизменным силам притяжения или отталкивания, величина которых целиком зависит от расстояния. Разрешимость этой задачи есть условие полного понимания природы» (Цит. по: Эйнштейн Л., Инфелъд Л. Эволюция физики, М., 1905, с. 50. )

Развитию механистического представления в науке в большой мере содействовало создание кинетической теории тепла, о существе которой будет сейчас кратко сказано. Необходимо заметить только, что кинетическая теория тепла была и остается (так же как и сама классическая механика Ньютона) одним из крупнейших достижений науки.

Начать рассказ придется издалека. Теперь хорошо известны такие понятия, как теплота и температура. Известно также, что это далеко не одно и то же. Часто для того, чтобы лучше объяснить, что представляют собой теплота и температура, их сравнивают соответственно с количеством воды и уровнем, па котором вода находится. Действительно, вода никогда сама по себе (например, без помощи насоса) не потечет от уровня более низкого к уровню более высокому, а теплота (это установлено опытом) не будет сама по себе переходить от тела менее нагретого, т. е. имеющего меньшую температуру, к телу более нагретому, имеющему большую температуру.

Приведенная аналогия оказалась настолько удачной, что, может быть, отчасти поэтому долгое время под теплотой понимали некоторую якобы существующую невесомую субстанцию - теплород, имеющую способность «перетекать» от более нагретых тел к менее нагретым. О теплороде выше уже говорилось. Существование теплорода неоднократно подвергалось сомнению. Как об этом тоже уже говорилось, одним из первых, кто высказал отрицательное мнение о существовании теплорода, был великий русский ученый Ломоносов, давший также правильное с современной точки зрения представление о существе теплоты, о чем подробнее речь будет идти немного ниже.

На первый взгляд может показаться, что опыт с образованием тепла в результате трения (например, двух кусков дерева друг о друга, как делали первобытные люди, чтобы добыть огонь) является смертным приговором теплороду. Но на самом деле это не совсем так: если бы удалось доказать, что в результате трения изменяются свойства трущихся веществ (их теплоемкость), то смертный приговор теплороду пришлось бы, но крайней мере, отсрочить. Решающим наблюдением, возвестившим об ошибочности теории теплорода, было наблюдение известного американского естествоиспытателя и политического деятеля графа Бенджамина Румфорда (1753 - 1814), сделанное им в 1798 г. Предоставим слово автору наблюдения - Румфорду: «Недавно, будучи обязанным наблюдать за сверлением пушки на заводах военного арсенала в Мунче, я был удивлен очень значительной степенью теплоты, которую приобретала медная пушка за короткое время сверления; еще интенсивнее (гораздо интенсивнее, чем теплота кипящей воды, как я обнаружил опытом) была теплота металлических стружек, отделенных от пушки при сверлении...

Откуда приходит теплота, фактически произведенная в вышеупомянутом механическом процессе?

Доставляется ли она металлическими стружками, которые отделяются при сверлении от твердой массы металла?

Если бы это было так, то, согласно современному учению о скрытой теплоте и о теплороде, теплоемкость их не только должна была измениться, но само изменение это должно быть достаточно велико, чтобы объяснить всю произведенную теплоту.

Но никакого такого изменения не было; я обнаружил, это, взяв равные по весу количества этих стружек, а также тонких полосок той же самой металлической болванки, отделенных мелкой пилкой, и положив их при одинаковой температуре (температуре кипящей воды) в сосуди с холодной водой, взятой в одинаковых количествах (па пример, при температуре 59,5° по Фаренгейту (Температурная шкала Фаренгейта (F) взята из условия, что температура таяпия льда при атмосферном давлении принята равной +32° F, а температура кипения воды также при атмосферном давлении принята равной 212° F. Следовательно, t° С=5/9 (t° F - 32) и 59,5° F=15,3° С.) ); вода, в которую были положены стружки, судя по всему, но нагревалась больше или меньше, чем другая часть воды., в которую были положены полоски металла.

Обсуждая этот предмет, мы не должны забывать учез-та того самого замечательного обстоятельства, что источник теплоты, порожденный трением, оказался в этих экспериментах явно неисчерпаемым…

Совершенно необходимо добавить, что это нечто, которое любое изолированное тело или система тел может непрерывно поставлять бея ограничения, не может быть материальной субстанцией; и мне кажется чрезвычайно трудным, если не совершенно невозможным, создать какую-либо точную идею о чем-то, что в состоянии возбуждаться и передаваться подобно тому, как возбуждается и передается в этих экспериментах теплота, если только во допустить, что это что-то есть движение» (Цит. по: Эйнштейн А., Инфелъд Л. Эволюция физики, с. 39- 40.).

Рис. 35. Схема опыта Джоуля: 1 - медный сосуд, заполненный водой; 2 - мешалка с лопатками; з - блок; 4 - груз весом G; 5 - неподвижные лопатки

Итак, из простых и ясных опытов Румфорда следует, что теплорода не существует, а теплота есть движение. Спустя почти 50 лет после опытов Румфорда немецкий естествоиспытатель, врач Юлиус Роберт Майер (1814 - 1878) сформулировал (в 1842 г.) закон эквивалентности механической работы и теплоты. Другими словами он первым сформулировал закон сохранения энергии. А в 1843 - 1850 гг. английский естествоиспытатель, пивовар Джеймс Прескотт Джоуль (1818 - 1889) опытным путем с высокой степенью точности установил механический эквивалент тепла: 427 кгс м/ккал. Последующие эксперименты внесли небольшую поправку к величине механического эквивалента тепла, найденного Джоулем, которая теперь принимается равной 426,935 кгс • м/ккал. На рис. 35 представлена схема опыта Джоуля. Существо опыта следующее. Груз G, падая с высоты h, производит механическую работу Gh. Вся эта работа расходуется на трение между лопастями приводимой во вращение мешалки 2 и водой, заполняющей сосуд 1. Тепло, приобретенное водой, определяется по повышению ее температуры. Очевидно, что искомое значение механического эквивалента тепла может быть определено по уравнению,

где Gh, кгс м - механическая работа, L, кгс - вес воды в сосуде 1; с, ккал/кгс ° С - весовая теплоемкость воды, близкая к единице; t, °С - повышение температуры воды. В дальнейшем было установлено, что механическая и тепловая энергия - две формы энергии из большого числа возможных ее форм. В частности, кроме механической и тепловой энергии, существуют: химическая энергия, которой обладает, например, любое органическое топливо, выделяющее при сжигании теплоту; ядерная (атомная) энергия - внутренняя энергия атомных ядер, освобождающаяся в виде теплоты в результате ядерных реакций; электромагнитная энергия, о которой речь будет ниже.

В XVIII - XIX вв. были установлены два, как тогда полагали, независимых друг от друга закона сохранения: закон сохранения массы и закон сохранения энергии,- согласно которым масса и энергия изолированной системы неизменны. Это долгое время считавшееся незыблемым представление классической физики претерпело изменения, связанные с теорией относительности. Об этом будёт сказано позднее.

Отказ от теории теплорода, естественно, включил в повестку дня вопрос о сущности теплоты. Мы уже касались этого вопроса. Согласно кинетической теории тепла, тепловая энергия есть не что иное, как сумма энергий мельчайших частиц: молекул, атомов, электронов и др. В газе, например, представляющем собой совокупность мельчайших частиц, находящихся в беспорядочном, хаотическом движении, энергия каждой из частиц определяется скоростью ее движения (ее кинетической энергией, причем принимается в расчет поступательное и вращательное движение, а также колебательное движение атомов в молекулах) и положением в отношении других частиц (ее потенциальной энергией). Тепловая энергия рассматриваемого газа в целом, согласно сказанному выше, есть сумма энергии (кинетической и потенциальной) всех единичных мельчайших частиц.

Из сказанного следует, что тепловая энергия является, по существу дела, частным, хотя и особенным случаем механической энергии. Такое понимание существа тепловой энергии укрепило представление о законах механики как об универсальных, всеобъемлющих законах, к которым могут быть сведены все явления природы.

Важное открытие, подтвердившее на основе опытных наблюдений справедливость кинетической теории, было сделано в 1827 г. английским ботаником, почетным членом Петербургской Академии наук Робертом Броуном (1773 - 1858). Это открытие получило широкую известность под названием броуновского движения. Броун проводил опыты с очень мелкими (порядка микрометра) частицами пыльцы растений, находящимися во взвешенном состоянии в воде. Он наблюдал за этими частицами через микроскоп и установил, что они находятся в непрерывном хаотическом движении. Опыт показал, что это движение усиливалось с ростом температуры воды и, наоборот, ослаблялось с ее понижением. Анализ наблюдений броуновского движения привел к выводу, что причиной его возникновения является непрерывная бомбардировка мелких взвешенных в воде частиц еще более малыми частицами (молекулами), составляющими воду. Эта бомбардировка, различная (и непрерывно изменяющаяся) с разных сторон, взвешенной частицы имеет, как это на первый взгляд пи удивительно, тепловую основу. Невидимые вследствие своей малости даже через лучшие микроскопы частицы воды, находящиеся в тепловом, хаотическом движении, заставляют двигаться также весьма малые, но уже видимые в микроскоп взвешенные в воде частицы.

Итак, форм энергии много, все они могут в совершенно определенных, раз установленных количествах превращаться друг в друга. Закон сохранения энергии фиксирует, что в замкнутой системе сумма всех видов энергии остается неизменной. И все-таки есть один вид энергии, который существенно отличается от всех других, что тепловая энергия. Особенность тепловой энергии может быть сформулирована очень просто: любой вид энергии может быть легко превращен во все другие виды энергии, в том числе и в тепловую. Хорошо известный, можно сказать вездесущий, процесс трения есть не что иное, как превращение в тепловую энергию других видов энергии. Тепловая же энергия в другие виды энергии превращается с известными ограничениями и всегда не полностью.

Особенность тепловой энергии состоит в том, что она является энергией неупорядоченного, хаотического движения мельчайших частиц тела, в то время как все другие виды энергии - результат упорядоченного движения. Порядок всегда проще превратить в хаос, упорядочить же хаос гораздо труднее.

Изучением тепловых свойств веществ занимались и занимаются две различные по своим методам науки: термодинамика и статистическая физика.

Термодинамический метод изучения макроскопических свойств системы (макроскопические свойства системы можно непосредственно измерить, например давление, температуру, удельный объем, в отличие от микроскопических свойств, присущих микроэлементам системы - молекулам, атомам и др., прежде всего их координат и импульсов), строится на знании небольшого числа законов, начал, установленных опытным путем. Термодинамика конкретно строится на трех началах: первое начало - закон сохранения энергии, написанный в виде, удобном для определения механической работы, полученной пз тепла, второе начало - закон, имеющий большое число различных формулировок, из которых, пожалуй, наибольшее употребление имеют две: 1) невозможен переход теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р. Клаузиус) и 2) невозможно создать периодически действующую машину, не совершающую ничего иного, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара тепла (М. Бланк); третье начало (теорема В. Периста): при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры, равной абсолютному нулю.

Достоинством и в то же время недостатком термодинамического метода является его независимость от принятого взгляда на строение вещества. С помощью термодинамического метода можно решать многие важные задачи, вовсе не касаясь вопросов строения вещества.

Приводим слова А. Эйнштейна о термодинамике: «Теория производит тем большее впечатление, чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область ео применения. Отсюда глубокое впечатление, которое произвела на меня классическая термодинамика. Это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута (к особому сведению принципиальных скептиков)» (Цит. по: Кириллин Б. Л., Сычев В. В., ШейндлинА. Е. Техническая термодинамика, 3-е изд. М., 1979, с. 502.).

Статистическая физика, или статистическая механика, наоборот, основана на определенных представлениях о строении вещества. Другими словами, в ее задачу входит установление зависимости между микроскопическими характеристиками системы (масса, импульс, координаты составляющих систему частиц) и ее макроскопическими параметрами (давление, температура, удельный объем и др.). На первый взгляд кажется, особенно учитывая огромное, фантастически большое число микрочастиц в системе, что поставленная задача иерешима. Действительно, в одном моле вещества (напоминаем, 1 моль вещества - это количество граммов вещества, равное его молекулярному весу, например 12 г ¹²С) содержится, как известно, 6,022 • 10²³ молекул.

Тем не менее эту трудную задачу решить удалось. Статистическая физика, рассматривая вещество как совокупность огромного числа микрочастиц и используя законы теории вероятностей тем более точные, чем па большее число объектов (в данном случае молекул, атомов) они распространяются, дала возможность составить обоснованное представление о существе тепловой энергии и тепловых процессов и решить многие важные задачи.

Это было достигнуто большим числом выдающихся ученых, среди которых в первую очередь необходимо назвать: французского физика и инженера, одного из основателей термодинамики, Никола Леонара Сади Карно (1796 - 1832), высказавшего впервые существо второго начала, французского физика и инженера Бену а Поля Клапейрона (1799 - 1864), который, исходя из идей Карпо, дал геометрическую интерпретацию термодинамических циклов, ввел уравнение, связывающее параметры идеального газа и носящее его имя; немецкого физика Рудольфа Юлиуса Эмануэля Клаузиуса (1822 - 1888), одного из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты, давшего одновременно с У. Томсоиом первую формулировку второго начала, введшего понятие энтропии, дифференциал которой в равновесном процессе

(где dQ, ккал - подводимое тепло и Т, К - абсолютная температура), а в неравновесном процессе (Статистическая физика рассматривает энтропию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии. В состоянии равновесия энтропия системы максимальна. Понятие энтропии широко используется в физике, химии, биологии.) английского физика президента Лондонского королевского общества (1890 - 1895 гг.), почетного члена Петербургской Академии наук Уильяма Томсона (1824 - 1907), получившего за научные, заслуги титул лорда Кельвина, давшего, как уже сказано, одну из формулировок второго начала, предложившего абсолютную шкалу температур, носящую его имя газа по скоростям (шкала Кельвина, градусы К); английского физика, создателя классической электродинамики (об этой, вероятно главной, стороне его научной деятельности речь еще будет идти ниже), одного из основателей статистической физики, Джеймса Клерка Максвелла (1831 - 1879), установившего статистическое распределение частиц газового континуума по энергиям (по скоростям) (рис. 36); американского физика-теоретика, одного из создателей термодинамики и статистической механики, Джозайи Уилларда Гиббса (1839 - 1903), разработавшего теорию термодинамических потенциалов, установившего общее условие равновесия гетерогенных систем, именуемого правилом фаз Гиббса, определившего фундаментальный закон статистической физики - каноническое распределение вероятностей различных состояний макроскопической системы; австрийского физика, одного из основателей статистической физики и физической кинетики, Людвига Болъцмана (1844 - 1906), давшего уравнение, носящее его имя, согласно которому между энтропией S и термодинамической вероятностью W состояния вещества существует зависимость

S=klnW

(где k - постоянная Больцмана, а термодинамическая вероятность состояния вещества W - сумма всех возможных микросостояний, реализующих данное макросостояние; значение W всегда очень велико, отнюдь не правильная дробь), указывающая на то, что природные самопроизвольные процессы направлены в сторону возрастающих термодинамических вероятностей, т. е. в сторону максимальных значений энтропии; немецкого физикохимика, одного из основоположников современной физической химии, иностранного почетного члена Академии наук СССР, Вальтера Нернста (1864 - 1941), сформулировавшего третье начало термодинамики, о чем говорилось выше, выполнившего ряд выдающихся работ по теории растворов, электрохимии, кинетике и катализу, отмеченных Нобелевской премией (1920 г.).

Рис. 36. График максвелловского распределения молекул газа по скорости

К перечисленным именам знаменитых ученых, сделавших огромный вклад в создание термодинамики и статистической физики, можно было бы добавить немало других.

Огромные успехи механики, разработка на ее основе теории тепловых явлений привели к тому, что в конце XIX в. ученые естественных наук в своем большинство склонялись к точке зрения, что физическая картина мира в основном создана. Известный английский физик Уильям Томсон считал, что человеку известно, как устроен мир и должны уточняться лишь детали. Правда, Томсон указывал некоторые явления, которые не укладывались в тогдашнюю картину мира: постоянство скорости света, не зависящей от скорости его источника, и «ультрафиолетовая катастрофа» (Это явление, грубо говоря, заключалось в том, что классические законы теплового излучения не соответствовали некоторым экспериментам.) . Он назвал их тучками на общем светлом горизонте.

В истории науки, вероятно, не так часты случаи, когда столь квалифицированный и информированный ученый оказался бы так далек от истины в прогнозе основ развития науки. Дело в том, что первая «тучка» превратилась в теорию относительности, а вторая - в квантовую теорию. Но тогда точку зрения Томсоиа разделяли многие.

Но в науке не существует «вечных» теорий. Это можно прекрасно видеть па примере «универсальной» механики. Рано или поздно производится такой эксперимент, который заставляет отказаться от старой теории или изменить ее существенным образом. Таким было, например, наблюдение Румфорда за сверлением пушки для теории теплорода. За несколько десятилетий XX в. физические воззрения изменились коренным образом. Вряд ли теперь можно найти хотя бы одного физика, который думал бы, что все проблемы физики можно решить с помощью уравнений механики. Да и сама мысль о том, что создана теория на все времена, показалась бы ужасной, догматической, нереальной. Это была бы уже религия, а не наука.

Однако расскажем обо всем по порядку. Уже введение представления о двух новых электрических и двух новых магнитных жидкостях (положительных и отрицательных), о чем говорилось раньше, не внушает оптимизма.

Введение понятия жидкостей отвечает механическому подходу решать физические вопросы с помощью субстанций и действующих между ними простых сил. Но возникает сомнение (пока только сомнение): не много ли таких субстанций, сколько их потребуется еще и как велика будет специфика некоторых из них? (Так, например, гравитационное притяжение имеется всегда, электрические же силы возникают только в случае, когда тела имеют электрические заряды, причем электрические силы могут быть и силами притяжения и силами отталкивания.)

Но уже самой настоящей трудностью для попытки механистического объяснения всех физических явлений стал опыт Эрстеда. Напомним, что в опыте Эрстеда, описание и схема которого приведены выше, магнитная игла под действием электрического тока поворачивается в положение, перпендикулярное плоскости контура электрического тока, т. е. па магнитную иглу действует сила, перпендикулярная к липни, проходящей через иглу и контур. Как это объяснить с точки зрения механики?

Не меньшие, а может быть, и большие трудности составило объяснение распространения света. Во времена Ньютона и Гюйгенса, как уже говорилось, велась дискуссия о природе света между сторонниками корпускулярной и волновой теорий света. Каждая из этих теорий имела свои преимущества. В середине XIX в. предпочтение было отдано волновой теории, главным образом по причине того, что волновая теория давала объяснение дифракции света, т. е. отклонению световых волн при распространении света вблизи краев непрозрачных тел, сквозь узкие отверстия, щели и т. д. Раз была принята волновая теория света, то, казалось бы, должна существовать среда, субстанция, в которой распространяются световые волны. В этом случае все согласовалось бы с механическими представлениями.

Но что это за среда? Не оставалось ничего другого, как предположить существование еще одной гипотетической среды - эфира,- заполняющей всю Вселенную. Против существования эфира были выдвинуты очень серьезные возражения. Дело в том, что из небесной механики известно, что межзвездное пространство, которое должно быть заполнено эфиром, не оказывает какого-либо сопротивления движению небесных тел. Но если это так, то не может быть взаимодействия между частицами эфира и частицами твердых тел.

Однако свет, проходя, например, через воду и стекло, или, можно сказать, через эфир, в который «погружены», в котором «купаготся» вода и стекло, изменяет свою скорость. Как можно объяснить этот факт, если исключить взаимодействие между частицами эфира и частицами вещества? Но мы уже должны были пойти на это, рассматривая движение небесных тел в эфире.

Какой можно сделать вывод из всего сказанного? Трудности, с которыми мы сталкиваемся, пытаясь распространить механические принципы на электрические и оптические явления, оказываются непреодолимыми. Поэтому наука должна была отказаться от признания особой, универсальной роли механики, хотя сама по себе механика занимает почетное место среди других наук.

Что касается эфира, то о нем речь пойдет ниже.