KSE_Zhulanov_A_L

вполне определенную энергию. Таким образом, волновая гипотеза не только не объясняла явление фотоэффекта, но даже противоречила ему. Другой факт, установленный П.Н. Лебедевым, – давление света на пластинку, перпендикулярную лучу света, также лишь частично объяснялся волновой гипотезой и тоже требовал возврата к корпускулярным представлениям о свете. Корпускулярная гипотеза света снова становилась актуальной.

Итак, обе гипотезы света имели под собой массу как подтверждающих, так и опровергающих фактов. В классической оптике сложилась противоречивая ситуация: свет одновременно оказывался дискретным (корпускулярным) и волновым (непрерывным) явлением, что считалось невозможным. Согласно закону логики, два противоречащих суждения об одном и том же предмете не могут быть истинными в одно и то же время и в одном и том же отношении. Возникший парадокс будет преодолен в новой физике.

В заключение следует сказать, что в рамках механистической картины мира физики дали объяснение чрезвычайно важного в жизни человека явления природы - света, что свидетельствует об эвристическом потенциале этой научной картины мира. Однако возникшие противоречия свидетельствовали о том, что это физическое явление все-таки не получило адекватного отображения средствами науки механики.

Учение о теплоте. Классическая термодинамика и статистическая физика. Тепловые явления в силу их практической значимости давно интересовали ученых. Физиками в 17 – 18 вв. в этой области знания был накоплен большой эмпирический материал, чему особенно способствовало изобретение термометра и калориметра. Были измерены теплоемкость и теплопроводность многих веществ, их теплота плавления, парообразования, однако на основе этих фактов еще не представлялось возможным выработать общую концепцию теплоты. Признание получила натурфилософская идея теплоты как особой невесомой жидкости (теплорода), заполняющей промежутки между частицами вещества и способной переходить от горячего тела к холодному. Считалось, что количество теплорода в мире постоянно. Создание в Англии паровой машины Севери в 1693 г. и Ньюкоменом в 1705 г., а затем ее усовершенствование Дж. Уаттом в 1765 и последующие годы поставили задачу повышения эффективности ее действия. В трактате

61

«Размышления о движущей силе огня …» (1824 г.) С. Карно на основе введенной им идеальной модели тепловой машины (обратимого кругового процесса, позднее названного циклом Карно) дал теоретический анализ процессов, происходящих в паровой машине. Он установил, что эффективность работы машины не зависит от природы рабочего тела, циркулирующего в машине, и определяется только разностью температур нагревателя и холодильника. Получаемая движущая сила (механическая работа) пропорциональна исчезнувшему количеству теплоты. Впоследствии путем ряда все более точных измерений был определен механический эквивалент теплоты – 427 кг*м/ккал. Эти факты послужили основанием для двух принципиальных выводов:

-поскольку теплота превращается в механическую работу, значит, идея теплорода как особой материи, количество которой в природе неизменно, является несостоятельной;

-при взаимных превращениях теплоты и работы их общее количество остается неизменным, а этот вывод ведет к установлению

закона сохранения и превращения энергии: полная энергия изолированной системы при неизменных внешних условиях остается постоянной и не зависит от происходящих в ней процессов. Он был обоснован в начале 40-х г. 19 в. тремя учеными: Р. Майером, Дж. Джоулем и Г. Гельмгольцем. Из этого закона автоматически следовал вывод о невозможности создания «вечного двигателя» первого рода, то есть механического устройства, которое бы производило работу во

внешней среде, не получая для этого энергию извне. Можно напомнить, что в 18 и даже начале 19 в. создание такого устройства считалось возможным, и Парижская академия наук даже учреждала премию за такое изобретение, правда, отменив ее за двадцать лет до открытия закона.

Дальнейшее развитие теории теплоты связано с деятельностью Р. Клаузиуса. Он исследует ту же проблему, что и Карно, то есть проблему взаимных превращений тепла и механической работы в идеализированном тепловом цикле, и в 50-60-е гг. создает количественную теорию таких превращений. В ее основание он положил два начала:

- первое начало – закон сохранения энергии: dQ = dE + A. (Сообщенное замкнутой системе количество тепла dQ равно сумме двух величин – изменению внутренней энергии системы dE и совершенной ею работе против внешних сил A);

62

- второе начало: теплота не может сама собой переходить от холодного тела к теплому.

Для количественного выражения процессов превращения тепла в работу Клаузиус вводит новое понятие – энтропия– и соответствующую меру: dS = dQ/T , где S – энтропия, Q– количество тепла, Т – температура по шкале Кельвина. Используя эту меру, Клаузиус дает другую формулировку второго начала: «в замкнутом обратимом круговом процессе энтропия постоянна». Следствием второго начала является вывод о невозможности создания «вечного двигателя» второго рода (например, устройства, которое превращало бы в работу всю полученную теплоту, поскольку часть ее идет на нагревание устройства и рассеивается, либо машины, которая превращала бы теплоту окружающей среды в работу).

В. Нернст в 1912 г. ввел третье начало, которому М. Планк придал такую форму: при понижении температуры до абсолютного нуля энтропия каждого химически однородного вещества конечной плотности тоже стремится к нулю. Из него следует вывод: нельзя изобрести приспособления, отнимающего нацело всю теплоту, то есть охлаждающего тело до температуры абсолютного нуля. Иначе говоря, абсолютный нуль недостижим.

Всвоей теории Клаузиус исследует замкнутые системы, состояние которых может быть однозначно определено такими параметрами, как давление, объем и температура, а изменение состояния системы описывается законами, устанавливающими однозначные связи между этими параметрами, то есть динамическими законами, как и в механике. Поэтому свою теорию он назвал механической теорией тепла, а позднее У. Томсон (лорд Кельвин) – термодинамикой. Термодинамика была феноменологической, поскольку опиралась на непосредственно наблюдаемые в опыте, измеримые параметры и не выдвигала какихлибо гипотез о строении вещества и о природе теплоты.

В1865 г. Клаузиус расширил толкование второго начала, распространив его действие на все происходящие в природе явления,

ане только на превращения тепла в работу и процессы теплопередачи. С тех пор оно стало называться законом возрастания энтропии. Из него следует вывод: все процессы, связанные с превращением энергии, необратимы и сопровождаются ростом энтропии (поскольку часть энергии необходимо превращается в результате трения или излучения в теплоту и рассеивается,

63

т.е.обесценивается, становится неиспользуемой). При достижении теплового равновесия энтропия замкнутой системы принимает максимальное значение. В состоянии теплового равновесия прекращаются все макроскопические изменения, наступает макроскопический покой. Таким образом, необратимость физических процессов устанавливает асимметричность прошлого и будущего, задает термодинамическую «стрелу времени», то есть его необратимость.

Если рассматривать сложные открытые системы, то есть обменивающиеся со средой веществом и энергией, то энтропия таких систем может изменяться в обоих направлениях (увеличиваться и уменьшаться) или оставаться неизменной. Например, живые организмы, потребляя сложные химические вещества (белки, жиры, углеводы) и высококачественную энергию (энергию химических связей макромолекул органических веществ), поддерживают или повышают уровень своей организации (в процессах роста), понижая величину энтропии, приходящейся на единицу массы их тела. С другой стороны, организм, достигший зрелости, возвращает в среду точно такое количество вещества и энергии, какое он потребил, в противном случае его масса достигла бы гигантской величины. Что же потребляет организм из окружающей среды? Этот вопрос впервые поставил Э. Шредингер в работе «Что такое жизнь с точки зрения физики?». Для ответа он вводит понятие отрицательной энтропии (негэнтропии) как меры упорядоченности систем. Совершая обмен веществ, организм потребляет негэнтропию («питается отрицательной энтропией»), извлекает упорядоченность из окружающей среды. Другими словами, организм потребляет структурность, упорядоченность вещества, высокое качество энергии, возвращая в среду деградированное вещество, обесцененную энергию в форме теплоты, которая рассеивается и теряется, увеличивая энтропию среды. По такому же принципу работают все машины, например, двигатели внутреннего сгорания, атомные реакторы. Иначе говоря, суммарное количество энтропии открытой системы и среды в результате такого взаимодействия увеличивается, ибо происходят необратимые процессы, что соответствует второму началу термодинамики.

Отказ от идеи теплорода снова поставил вопрос о природе теплоты. Ответ был найден путем возвращения к атомистической гипотезе, которая пользовалась популярностью среди физиков и

64

особенно химиков в 17 в. (Бойль, Гук, Ньютон), но в 18 в. большинством физиков была отвергнута, поскольку не указывала способов практического ее применения. Физики увлеклись идеей невесомых материй – флюидов. Атомистическую гипотезу в физике продолжали защищать и развивать лишь немногие, в частности, Д. Бернулли и М.В. Ломоносов. Трудность состояла, по словам Клаузиуса, в том, как «эту неопределенную идею развить в приемлемую физическую теорию». Именно он первым пришел к правильному представлению о теплоте как «движении мельчайших частиц вещества и эфира» и количестве тепла как «мере живой силы этого движения» (то есть кинетической энергии, как назвал эту меру в 1860 г. У. Томсон). Клаузиус и Максвелл применили к атомистической гипотезе теорию вероятностей, положив начало созданию статистической физики. Большой вклад в ее развитие внесли Больцман, Гиббс, Планк и Эйнштейн. Итогом исследований стал вывод: теплота, с механистической точки зрения, представляет собой совокупную кинетическую энергию хаотического движения атомов и молекул вещества, величина которой возрастает с повышением его температуры. Такая физическая характеристика вещества, как температура, получила для газов ясный смысл: температура газа есть величина, пропорциональная средней кинетической энергии микрочастиц. Внутренняя энергия нагретых газов в тепловых машинах (как паровых, так и современных двигателях внутреннего сгорания) превращается в механическую работу, используемую для различных целей, в чем и состоит «движущая сила огня», природу которой хотел постичь С. Карно в вышеназванном трактате.

На основе атомистической идеи была создана мысленная модель газа («идеальный газ»), согласно которой молекулы и атомы – материальные точки, движущиеся в пустоте, причем силы взаимодействия между ними пренебрежимо малы. Эта модель позволила произвести расчеты и сформулировать простые по математической форме законы молекулярно-кинетической теории. Теория подвела фундамент под ранее открытые опытным путем газовые законы (Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля). На основе модели были вычислены средние скорости молекул газа при различных температурах, средние длины пробега молекул между соударениями и др. Например, Клаузиус определил, что скорость молекул азота при 00 С составляет 402 м/с.

65

Больцман дал статистическое истолкование энтропии, связав ее величину с термодинамической вероятностью: S=klnW, где S – энтропия системы, k – постоянная Больцмана, W – термодинамическая вероятность системы. Вероятность макроскопического состояния термодинамической системы (например, газа, характеризующегося данной массой, объемом и температурой) определяется количеством микросостояний, посредством которых может реализоваться это макросостояние. (Ее можно сравнить с числом способов размещения определенного количества гостей за столом.Одно и то же количество гостей – макросостояние– можно разместить многими способами – микросостояниями). Состояние теплового равновесия системы, характеризующееся максимальной энтропией, – это состояние, обладающее наибольшей вероятностью. В этом состоянии движение микрочастиц вещества наиболее неупорядоченно, хаотично. Напротив, состояние, характеризующееся наименьшей вероятностью и, следовательно, минимальной энтропией, является наиболее упорядоченным. Возьмем смесь газов – кислорода и азота – и газ, состоящий из молекул, являющихся соединениями азота и кислорода, содержащих от двух до семи атомов. Число таких молекул будет гораздо меньше числа молекул простых веществ, и количество способов их взаимного расположения в пространстве также меньше. Следовательно, газ, состоящий из соединений, является более упорядоченным, чем газ, состоящий из простых веществ. Жидкость является более упорядоченным состоянием, чем газ, а кристаллической состояние более упорядоченно, чем жидкое и аморфное. Переход некоторой массы вещества из твердого состояния в жидкое, а из жидкого в газообразное требует поглощения тепла и, следовательно, ведет к росту энтропии. Обратный процесс связан с выделением тепла и понижением энтропии данной массы вещества.

Второе начало термодинамики – закон возрастания энтропии – теперь можно истолковать как закон эволюции системы от менее вероятного состояния к более вероятному состоянию, то есть от более упорядоченного состояния – к менее упорядоченному, хаотическому. Так, натурфилософские категории порядка и хаоса, широко использовавшиеся в античности, получили количественную меру: энтропия выступает как мера беспорядка, дезорганизации, хаоса. Созданная на основе теории вероятностей статистическая физика дала способ количественного описания процессов эволюции

66

термодинамических систем – систем, характеризующихся процессами превращения энергии. В физике появился новый вид законов – статистические законы, то есть законы, описывающие поведение огромных коллективов материальных объектов. Одним из достижений классической статистической физики стала созданная в 1905 г. Эйнштейном математическая теория броуновского движения. Исходя из атомно-молекулярных представлений о строении вещества, он объяснил траекторию движения броуновской частицы (в виде ломаной линии) хаотическими столкновениями с ней громадного количества молекул жидкости. Опираясь на формулу Эйнштейна, Ж. Перрен в 1907 г. провел опыт, из которого однозначно следовал факт существования молекул. Этот эксперимент был признан научным сообществом в качестве окончательного доказательства существования атомов и молекул и, следовательно, истинности молекулярно-кинетической теории.

В 1865 г. Клаузиус опубликовал два следствия из созданной им теории, имеющие мировоззренческий характер: «Основные законы Вселенной, соответствующие обоим началам механической теории тепла, можно сформулировать в следующей простой форме:

1)энергия мира постоянна;

2)энтропия мира стремится к максимуму».

Второй вывод означает, что при достижении энтропией максимального значения Вселенную постигнет «тепловая смерть»: она придет в состояние теплового равновесия, т.е. хаотического теплового движения, и хотя энергия количественно не изменится, никакие макроскопические, упорядоченные движения в ней происходить не будут. Для выведения Вселенной из равновесия будет необходим внешний толчок, то есть вмешательство надприродной силы, Творца. С таким выводом многие ученые не согласились, и начавшаяся дискуссия по поводу идеи «тепловой смерти» не завершена и поныне. Одним из контраргументов было суждение о том, что теория Клаузиуса описывает процессы превращения энергии в замкнутых, изолированных системах, не обменивающихся с внешней средой веществом и энергией, а Вселенная – это открытая система. Поэтому вывод Клаузиуса логически неправомерен (ошибка «от сказанного с условием к сказанному безусловно»). Л.Д. Ландау утверждал, что в открытой системе, какой является Вселенная, энтропия может возрастать, не достигая никакого максимума, значит, тепловое равновесие никогда не наступит.

67

Больцман подверг критике идею «тепловой смерти» Вселенной, опираясь на статистическую интерпретацию второго начала. По его мнению, Вселенная в целом уже находится в состоянии теплового равновесия; но поскольку случайные процессы допускают флуктуации, то есть самопроизвольные отклонения от состояний равновесия, то во Вселенной могут происходить гигантские, хотя и маловероятные, флуктуации, и наша галактика – Млечный путь – одна из таких космических флуктуаций.

Подводя итог, следует отметить, что термодинамика и классическая статистическая физика, оставаясь в целом на позициях механицизма, подготовили почву для перехода от принципа лапласовского детерминизма, опирающегося на идею динамических законов, к более общему принципу статистического детерминизма, значение которого в полной мере раскроется в науке 20 в.

Второй важный вывод из истории этого периода развития физики: произошел возврат к идее атомизма, на основе которой стало возможным создание молекулярно-кинетической теории вещества. Атомизм, бывший на протяжении двух тысячелетий натурфилософской идеей, стал научно обоснованной теорией и приобрел не только чисто научное, но и мировоззренческое значение: вместе с законами сохранения вещества и энергии он стал основой естественноисторического материализма 19 в.

2.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КАРТИНА МИРА

Учение об электричестве и магнетизме. Классическая электродинамика. С электрическими и магнитными явлениями люди знакомы с древности. Еще греки заметили, что если янтарь потереть о шерсть, то он начинает притягивать мелкие предметы. Это свойство янтаря назвали электричеством (греч. elektron – янтарь). Подобным же свойством притягивать металлические предметы обладала железная руда, добываемая неподалеку от города Магнесии (откуда и название – магнит). В 17-19 вв. учеными был открыт ряд свойств электричества (существование двух его видов: положительного и отрицательного - и их взаимодействия, проводимость его различными веществами, нагревание им проводников и др.). Были установлены эмпирические законы электричества: закон сохранения заряда (Б. Франклин), законы Кулона, Ампера, Ома и др. Работа Ампера «Теория

68

электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта» (1826 г.) кладет начало новой отрасли физики – электродинамике. Одним из первых применений электричества было создание в первой половине 19 в. электрического телеграфа.

Однако теоретические представления об электричестве и магнетизме не выходили за рамки натурфилософских: их рассматривали как проявления невесомых жидкостей (флюидов) – электрических (положительной и отрицательной) и магнитной. В 1820 г. Эрстед открыл фундаментальный для дальнейшего развития физики факт: помещенная возле проводника с электрическим током магнитная стрелка меняет свое положение при изменении направления движения тока, т. е. ток оказывает на нее магнитное действие. Узнав об открытии Эрстеда, Ампер проводит другой опыт и устанавливает явление магнитного притяжения и отталкивания проводников с током. Полученные данные ясно говорят о взаимосвязи электрических и магнитных явлений.

Экспериментальное исследование этого явления в 20-х гг. 19 в. произвел Фарадей. В 1831 г. он открыл явление электромагнитной индукции – порождение тока в проволочной катушке в результате перемещения внутри нее магнитного железного сердечника. Поскольку проводник и магнитный сердечник были пространственно разделены, встал вопрос о природе того взаимодействия, которое вызывает ток. Фарадей придерживался концепции близкодействия и считал, что взаимодействие осуществляется посредством возбуждения среды, заполняющей пространство, то есть образования в ней множества силовых линий. Электрический ток или магнит, возбуждая среду, создают в ней поле сил, которое воздействует на быстро внесенный в это поле проводник, нарушая в нем электрическое равновесие и порождая ток. Этой средой, по Фарадею, был эфир. Практическое значение этого открытия состоит в возможности создания электрических машин для превращения механической энергии в электрическую (генераторов) и наоборот (электромоторов). На этой основе на рубеже 19-20 в. в. совершилась новая промышленная революция, заменившая паровую машину электрической.

Рядом других экспериментов Фарадей установил родство электричества и света. Таким образом, трудами Фарадея и его предшественников было доказано единство механических, тепловых, световых, электрических и магнитных явлений, что

69

свидетельствовало в пользу идеи единства природы, или выражаясь философским языком, утверждало идею диалектики природы. Господствовавшая около трех столетий научная практика изучения этих явлений как изолированных, ничем между собой не связанных должна была уступить новому методу познания, исходившему из идеи взаимосвязи явлений природы.

Дальнейшее развитие электродинамики связано преимущественно с именем Д.К. Максвелла. В работе «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864 г.) он излагает теорию электромагнитных явлений, основанную на системе дифференциальных уравнений, получивших название уравнений Максвелла. В этой и других работах он устанавливает ряд фундаментальных идей. Прежде всего, он вводит понятие электромагнитного поля, лишь намеченное Фарадеем. Оказалось, что постоянные электрические и магнитные поля, создаваемые неподвижными электрическими зарядами и магнитами, могут существовать независимо друг от друга, но их независимость относительна; в другой системе отсчета, движущейся относительно первой, мы будем фиксировать наличие обоих полей. Далее, Максвелл вводит понятие возмущения электромагнитного поля, создаваемого, например, изменением силы тока в проводнике или колебательными движениями электрического заряда. Возмущения поля, иначе называемые электромагнитными волнами, распространяются в вакууме со световой скоростью, причем они состоят из двух компонент – электрической и магнитной. Колебания векторов напряженностей электрического и магнитного полей происходят в перпендикулярных плоскостях и перпендикулярны направлению распространения волны. Это значит, что электромагнитные волны имеют поперечный характер, причем электрическая составляющая порождает магнитную составляющую и наоборот. Отсюда следует, что, однажды возникнув, волна будет распространяться бесконечно, постепенно затухая из-за сопротивления среды. Было установлено, что электромагнитным волнам присущ ряд других свойств (интерференция, дифракция, преломление, дисперсия, отражение). Из этих фактов следует вывод: видимый свет есть не что иное, как электромагнитные волны определенной частоты и длины. Этот вывод дает новое доказательство волновой природы света.

70