3.4. Фундаментальные взаимодействия

Виды фундаментальных взаимодействий. Огромное разнообразие

природных систем и структур, их особенности и динамизм обусловлива-

ются взаимодействием материальных объектов, т.е. их взаимным дейст-

вием друг на друга. Именно взаимодействие — основная причина движе-

ния материи, поэтому взаимодействие, как и движение, универсально,

т.е. присуще всем материальным объектам вне зависимости от их приро-

ды происхождения и системной организации. Особенности различных

взаимодействий определяют условия существования и специфику

свойств материальных объектов.

Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и импуль-

сом — основными характеристиками их движения. В классической физи-

ке взаимодействие определяется силой, с которой один материальный

объект действует на другой.

Долгое время считалось, что взаимодействие материальных объек-

тов, находящихся даже на большом расстоянии друг от друга, передается

через пустое пространство мгновенно. Такое утверждение соответствует

концепции дальнодействия. К настоящему времени экспериментально

подтверждена другая концепция — концепция близкодействия: взаимо-

действия передаются посредством физических полей с конечной скоро-

стью, не превышающей скорости света в вакууме. Эта, по существу, поле-

вая концепция в квантовой теории поля дополняется утверждением: при

любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами — кван-

тами поля.

Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и

систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследо-

вания, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундамен-

тальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, силь-

ному и слабому.

Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяже-

нии любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается по-

средством гравитационного поля и определяется фундаментальным зако-

ном природы — законом всемирного тяготения, сформулированным

И. Ньютоном:

между двумя материальными точками массой т, и т2, расположенными

на расстоянии r друг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная

произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния

между ними:

110

где G — гравитационная постоянная.

Законом всемирного тяготения описываются падение материальных

тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т.п.

В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитаци-

онного взаимодействия являются гравитоны — частицы с нулевой мас-

сой, кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими

зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей.

Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а

магнитное — при их движении. Изменяющееся магнитное поле порожда-

ет переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является ис-

точником переменного магнитного поля.

Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и

молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные аг-

регатные состояния вещества, трение, упругость и т.п. определяются си-

лами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей

природе. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаменталь-

ными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, за-

коном Ампера и др., и в обобщенном виде — электромагнитной теорией

Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Получение,

преобразование и применение электрического и магнитного полей, а

также электрического тока служат основой для создания разнообразных

современных технических средств: электроприборов, радиоприемни-

ков, телевизоров, осветительных и нагревательных приборов, компью-

теров и т.д.

Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромаг-

нитного взаимодействия являются фотоны — кванты электромагнитного

поля с нулевой массой. Во многих случаях они регистрируются прибора-

ми в виде электромагнитной волны разной длины. Например, восприни-

маемый невооруженным глазом видимый свет, посредством которого от-

ражается основная доля (около 90%) информации об окружающем мире,

представляет собой электромагнитную волну в довольно узком диапазо-

не длин волн (примерно 0,4—0,8 мкм), соответствующем максимуму сол-

нечного излучения.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно

определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимо-

стью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное

взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее

взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше его

111

удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следова-

тельно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро может

распадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящихся в конце

таблицы Менделеева.

Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюона-

ми — частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов,

нейтронов и других частиц.

В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кро-

ме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных час-

тиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое

взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада

атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов и т.д. Принято счи-

тать, что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы — час-

тицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.

Вионы обнаружены в 1983 г.

Для количественной характеристики фундаментальных взаимодейст-

вий обычно используют безразмерную константу взаимодействия, опре-

деляющую величину взаимодействия, и радиус действия (табл. 3.1).

Из таблицы видно, что гравитационное взаимодействие гораздо сла-

бее других фундаментальных взаимодействий. Радиус действия его неог-

раничен. Оно не играет существенной роли в микропроцессах и в то же

время является доминирующим для материальных объектов с большими

массами (планет, звезд, галактик и т.п.). Электромагнитное взаимодейст-

вие гораздо сильнее гравитационного, хотя его радиус действия также не-

ограничен. Для сильного и слабого взаимодействий характерно коротко-

действие. Сильное взаимодействие проявляется только в пределах разме-

ров ядра (10-15 м), а слабое — на гораздо меньшем расстоянии — 10-18 м.

В результате экспериментальных исследований взаимодействий эле-

ментарных частиц в 1983 г. было обнаружено, что при больших энергиях

столкновения протонов — около 100 ГэВ (1 ГэВ = 109 эВ — слабое и

электромагнитное взаимодействия не различаются — их можно рассмат-

ривать как единое электрослабое взаимодействие. Такое объединение

двух фундаментальных взаимодействий — электромагнитного и слабо-

112

го — было теоретически предсказано в 60—70-х годах XX в. американ-

скими физиками С. Вайнбергом (1933—1996) и Ш. Глэшоу (р. 1932) и па-

кистанским физиком А. Саламом (р. 1926 г.), удостоенными Нобелевской

премии по физике 1979 г. Существенный вклад в развитие теории элек-

трослабого взаимодействия внесли нидерландские учение Г. Хуфт и

М. Вельтман, лауреаты Нобелевской премии по физике 1999 г.

Одна из важнейших задач современного естествознания — создание

единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей не

только электромагнитное и слабое, но и сильное, и слабое взаимодейст-

вия. Решение такой довольно сложной задачи потребует синтеза естест-

венно-научных знаний о материальных объектах разных масштабов — от

элементарных частиц до Вселенной. Единая теория фундаментальных

взаимодействий обеспечит концептуальное обобщение знаний об окру-

жающем мире.

Предполагается, что при относительно больших энергиях взаимодей-

ствия частиц (до 1019 ГэВ) или при чрезвычайно высокой температуре ма-

терии все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются

одинаковой силой, т.е. представляют собой одно взаимодействие, опре-

деляемое «суперсилой». Возможно, такие экстремальные условия суще-

ствовали в начальный момент зарождения Вселенной. При расширении

Вселенной и быстром охлаждении образовавшегося вещества единое

взаимодействие разделилось на четыре принципиально отличающиеся

друг от друга взаимодействия, определившие структурную организацию

материи.

Структурная организация материи. Важнейшее свойство мате-

рии — ее структурная и системная организация, которая выражает упо-

рядоченность существования материи в виде огромного разнообразия ма-

териальных объектов различных масштабов и уровней, связанных между

собой единой системой иерархии. Непосредственно наблюдаемые нами

тела состоят из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из ядер и элек-

тронов, атомные ядра — из нуклонов, нуклоны — из кварков. Сегодня

принято считать, что электроны и гипотетические частицы кварки не со-

держат более мелких частиц.

С биологической точки зрения самая крупная живая система — био-

сфера — состоит из биоценозов, содержащих множество популяций жи-

вых организмов различных видов, а популяции образуют отдельные осо-

би, живой организм которых состоит из клеток со сложной структурой,

включающих ядро, мембрану и другие составные части.

В современном естествознании множество материальных систем

принято условно делить на микромир, макромир и мегамир. К микромиру

относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Материальные

объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул, образуют мак-

8-3290 113

ромир. Самую крупную систему материальных объектов составляет ме-

гамир — мир планет, звезд, галактик и Вселенной.

Материальные системы микро-, макро- и мегамира различаются меж-

ду собой размерами, характером доминирующих процессов и законами,

которым они подчиняются. Пространственные масштабы и размеры (в

метрах с точностью до одного порядка чисел) некоторых материальных

объектов представлены ниже.

Отношение самого большого размера к самому малому, составляю-

щее сегодня 44 порядка, возрастало и будет возрастать по мере накопле-

ния естественно-научных знаний об окружающем мире. «Мир наш —

только школа, где мы учимся познавать», — справедливо заметил фран-

цузский философ М. Монтень (1533 — 1592).

Важнейшая концепция современного естествознания заключается в

материальном единстве всех систем микро-, макро- и мегамира. Можно

говорить о единой материальной основе происхождения всех материаль-

ных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.

Материальные объекты микро-, макро- и мегамира отличаются друг

от друга не только своими размерами, но и другими количественными ха-

рактеристиками. Так, один моль любого вещества (характерное количе-

ство вещества для макрообъектов, составляющее, например, для воды

18 г) содержит огромное число молекул или атомов, называемое постоян-

ной Авогадро и примерно равное 6 • 1023 моль-1. Солнце состоит из колос-

сального числа частиц: 8 • 1056 ядер атомов водорода и 9 • 1055 ядер ато-

мов гелия.

Свойства и особенности материальных объектов микро-, макро- и ме-

гамира описываются разными теориями, принципами и законами. При

объяснении процессов в микромире используются принципы и теории

квантовой механики, квантовой статистики и т.п. Изучение материаль-

114

ных объектов макросистем основано на законах и теориях классической

механики Ньютона, термодинамики и статической физики, классической

электродинамики Максвелла. Вместе с тем многие понятия и концепции

(энергия, импульс и др.), введенные в классической физике для описания

свойств материальных объектов макромира, с успехом используются для

объяснения процессов в микро- и мегамире. Движение планет Солнечной

системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кепле-

ра. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании

комплекса естественно-научных знаний, включающих физику элемен-

тарных частиц, квантовую теорию поля, теорию относительности и т.п.

Материальные объекты образуют целостную систему лишь в том слу-

чае, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каж-

дого из них. Энергия связи — это та энергия, которую необходимо затра-

тить, чтобы полностью «растащить» систему на отдельные ее составляю-

щие. Величина энергии связи природных систем на различных уровнях

организации материи зависит от вида взаимодействия и характера сил,

объединяющих материальные объекты в систему. Например, существо-

вание в течение миллиардов лет звезд, в том числе и Солнца, обусловли-

вается устойчивым равновесием между энергией взаимного гравитацион-

ного притяжения частиц, стремящегося сжать вещество звезды, и энерги-

ей их теплового движения, приводящего к его рассеиванию. Объединяю-

щую роль в атомах и молекулах играет электромагнитное взаи-

модействие.

Существенное различие между материальными объектами микро- и

макромира заключается в тождественности микрочастиц и индивидуаль-

ности макросистем. Для микрочастиц выполняется принцип тождест-

венности: состояния системы частиц, получающиеся друг из друга пере-

становкой частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте.

Такие состояния рассматриваются как одно физическое состояние. Этот

квантово-механический принцип характеризует одно из основных разли-

чий межДу классической и квантовой механикой. В классической меха-

нике можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям

и таким образом отличить частицы одну от другой. В квантовой механике

тождественные частицы полностью лишены индивидуальности. Однако

в природе не существует двух совершенно одинаковых макросис-

тем — все они индивидуальны. Индивидуальность может проявляться и

на молекулярном уровне. Например, молекулы этилового спирта и диме-

тилового эфира имеют одинаковые атомный состав и молекулярную мас-

су, но различные химические и физические свойства. Такие вещества на-

зываются химическими изомерами. Изомерия обнаруживается и для

атомных ядер. Нестабильные ядерные изомеры при одинаковом составе

ядер имеют различные периоды полураспада.

8* П5

Фундаментальные физические законы описывают вполне определен-

ные объекты вне зависимости от того, где они находятся. Например, с по-

мощью законов сохранения энергии и импульса можно описать не только

движение тел на Земле, но и взаимодействие элементарных частиц, и дви-

жение планет, звезд и т.п. Атомы везде одинаковы — на Земле и в косми-

ческом пространстве. Все это означает, что фундаментальные законы

универсальны — они применимы к объектам всего мира, доступным на-

шим наблюдениям с помощью самых совершенных и чувствительных

приборов. Универсальность фундаментальных законов подтверждается

экспериментальными результатами многочисленных исследований раз-

личных свойств материальных объектов микро-, макро- и мегамира и сви-

детельствует о материальном единстве природы и Вселенной в целом.

3.5. ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относитель-

ности, впервые сформулированный Г. Галилеем для механического дви-

жения. Механическое движение относительно, и его характер зависит от

системы отсчета. Система, в которой выполняется первый закон Ньюто-

на, называется инерциальной системой отсчета. Такая система либо по-

коится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно ка-

кой-то другой системы, неподвижной или движущейся прямолинейно и с

постоянной скоростью.

Опытным путем установлено, что с большой степенью точности

инерциальной можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему от-

счета с началом координат в центре Солнца. Система отсчета, связанная с

Землей, строго говоря, неинерциальная, так как Земля вращается вокруг

собственной оси и обращается вокруг Солнца. Однако поправки, обу-

словленные неинерциальностью такой системы, пренебрежимо малы и

не учитываются при решении многих задач. Если системы отсчета дви-

жутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из

них справедливы законы динамики Ньютона, то такие системы инерци-

альные.

Для инерциальных систем выполняется механический принцип отно-

сительности — принцип относительности Галилея:

во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики

имеют одинаковую форму.

Этот принцип означает, что уравнения динамики при переходе от од-

ной инерциальной системы к другой не изменяются, т. е. инвариантны по

отношению к преобразованию координат. Никакими механическими

116

опытами, проведенными в инерциальной системе отсчета, нельзя устано-

вить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно.

А. Пуанкаре распространил механический принцип относительности

на все электромагнитные процессы, а А. Эйнштейн использовал его для

специальной теории относительности, принципы которой он сформули-

ровал в 1905 г. В обобщенном виде принцип относительности формули-

руется так:

все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотли-

чимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов или,

другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и пря-

молинейного движения системы отсчета.

Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия

инвариантности, инвариантов и симметрии, а также связь их с фундамен-

тальными законами сохранения. Инвариантность означает неизмен-

ность физических величин или свойств природных объектов при перехо-

де от одной системы отсчета к другой. В специальной теории относитель-

ности постулируется инвариантность законов природы и скорости света в

вакууме. Законы природы и скорость света не изменяются в результате

преобразований координат и времени, предложенных нидерландским

физиком X. Лоренцом (1853—1928) в 1904 г. (еще до появления специ-

альной теории относительности), — преобразований, при которых урав-

нения Максвелла остаются инвариантными.

Специальная теория относительности включает два постулата:

1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электриче-

ские, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не

дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется рав-

номерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению

к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не

зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одина-

кова во всех инерциальных системах отсчета.

Специальная теория относительности выходит за рамки привычных

классических представлений о пространстве и времени, поскольку они не

соответствуют принципу постоянства скорости света. Пространство и

время в ней носят не абсолютный, а относительный характер. Из специ-

альной теории относительности следуют необычные пространствен-

но-временные свойства: относительность длин и промежутков времени,

относительность одновременности событий.

Общая теория относительности, называемая иногда теорией тяготе-

ния, — результат развития специальной теории относительности. Из нее

вытекает, что свойства пространства — времени зависят от поля тяготе-

ния. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства —

117

времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от

концентрации масс материальных объектов и их движения. В поле тяго-

тения пространство — время обладает кривизной. Слабой кривизне соот-

ветствует обычная ньютоновская гравитация, которая определяет, напри-

мер, движение планет Солнечной системы. Однако в сильных гравитаци-

онных полях, создаваемых массивными космическими объектами, ис-

кривление пространства — времени становится существенным. Если

подобного рода объект совершает колебательное или вращательное дви-

жение, кривизна периодически изменяется. Распространение таких изме-

нений в пространстве рождает гравитационные волны. Аналогично тому,

как электромагнитная волна с квантово-механической точки зрения пред-

ставляет собой поток фотонов, квантование гравитационной волны соот-

ветствует гравитону — частице с нулевой массой покоя. Ни гравитацион-

ные волны, ни гравитоны экспериментально не обнаружены. Прием гра-

витационных волн и обнаружение гравитонов — одно из направлений

фундаментальных естественно-научных исследований гравитацион-

но-волновой астрономии.

3.6. СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА — ВРЕМЕНИ

И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

Для понимания законов природных явлений и процессов весьма ва-

жен принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во

времени, т.е. параллельных переносов начал координат и отсчета време-

ни. Он формулируется так: смещение во времени и в пространстве не

влияет на протекание физических процессов.

Инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта

относительно его преобразований называется симметрией. Наглядный

пример пространственной симметрии материальных систем — кристал-

лическая структура твердых тел. Симметрия кристаллов — закономер-

ность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристал-

лов. Она заключается в том, что кристалл можно совместить с самим со-

бой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других пре-

образований. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его

строения. Например, элементы симметрии присущи не только минера-

лам, но и раковинам моллюсков, дикорастущим растениям и т. п. Орна-

мент, наверное, самое древнее изображение симметрии. С помощью ма-

тематического моделирования можно продемонстрировать, например,

довольно сложный характер взаимодействия электрона с ионами кри-

сталлической решетки, что видно из рис. 3.1, где прослеживается зарож-

дение упорядоченной симметричной структуры из хаотических фрагмен-

тов.

118

Из принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и

во времени следует симметрия пространства и времени, называемая од-

нородностью соответственно пространства и времени. Однородность

пространства заключается в том, что при параллельном переносе в про-

странстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и за-

коны движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора по-

ложения начала координат инерциальной системы отсчета.

Для количественного описания движения тела используется понятие

импульса. Импульс определяется произведением массы тела на его ско-

рость. Из свойства однородности пространства следует закон сохране-

ния импульса:

импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением

времени.

Этот закон справедлив не только для объектов классической физики

(хотя он и получен как следствие законов Ньютона), но и для замкнутых

систем микрочастиц, подчиняющихся принципам квантовой механики.

Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая

сумма всех внешних сил равна нулю.

Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является

фундаментальным законом природы.

Однородность времени означает инвариантность физических зако-

нов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свобод-

ном падении тела в поле силы тяготения его скорость и пройденный путь

119

зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного

падения тела и не зависят от того, когда тело начало падать. Из однород-

ности времени следует закон сохранения механической энергии:

в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы,

полная механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со временем.

Консервативные силы действуют только в потенциальных полях, ха-

рактеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами

при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того,

по какой траектории оно перемещалось, а определяется его начальным и

конечным положением. Если работа, совершаемая силой, зависит от тра-

ектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила назы-

вается диссипативной (к ней относится, например, сила трения).

Механические системы, на тела которых действуют только консерва-

тивные силы (внутренние и внешние), называются консервативными сис-

темами. Закон сохранения механической энергии можно сформулиро-

вать еще и так:

в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется.

В диссипативных системах механическая энергия постепенно умень-

шается из-за преобразования ее в другие (немеханические) формы энер-

гии. Такой процесс называется диссипацией или рассеянием энергии. Все

реальные системы в природе диссипативные.

В системе, в которой действуют консервативные и диссипативные

силы, полная механическая энергия системы не сохраняется. Следова-

тельно, для такой системы закон сохранения механической энергии не

выполняется. Однако при убывании механической энергии всегда возни-

кает эквивалентное количество энергии другого вида, например тепло-

вой. Таким образом,

энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превраща-

ется из одного вида в другой.

В этом заключается физическая сущность закона сохранения и превра-

щения энергии — неуничтожимость материи и ее движения, поскольку

энергия — универсальная мера различных форм движения и взаимодей-

ствия.

Закон сохранения энергии — результат обобщения многочисленных

опытов. В становлении этого фундаментального закона большую роль

сыграли труды М.В. Ломоносова, впервые сформулировавшего закон со-

хранения материи и движения, и его математическое обоснование немец-

кими учеными — врачом Ю. Майером (1814—1878) и естествоиспытате-

лем Г. Гельмгольцем (1821—1894).

120

Еще одно важное свойство симметрии пространства — его изотроп-

ность. Изотропность пространства означает инвариантность физиче-

ских законов относительно выбора направления осей координат системы

отсчета, т.е. относительно ее поворота в пространстве на любой угол.

Вращательное движение механической системы описывается с помощью

момента импульса. Например, для материальной точки момент импульса

определяется произведением ее импульса на радиус вращения. Из изо-

тропности пространства следует фундаментальный закон природы — за-

кон сохранения момента импульса:

момент импульса замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с

течением времени.

Связь между свойствами пространства — времени и законами сохра-

нения установила немецкий математик Эмми Нетер (1882—1935). Она

сформулировала и доказала названную ее именем фундаментальную тео-

рему математической физики:

из однородности пространства и времени следуют законы сохранения со-

ответственно импульса и энергии, а из изотропности пространства — закон

сохранения момента импульса.

Различные виды симметрии в природе — предмет теоретических ис-

следований разных свойств материальных объектов микро-, макро- и ме-

гамира с применением довольно сложного и абстрактного математиче-

ского аппарата теории групп. Значительный вклад в ее развитие внес

французский математик Эварист Галуа (1811—1832), жизнь которого

рано оборвалась (в возрасте 21 года он был убит на дуэли). С помощью

теории групп русский минералог и кристаллограф Е.С. Федоров

(1853—1919) предложил классификацию правильных пространственных

систем точек, составляющих основу современной кристаллографии. С

учетом симметрии пространства — времени в результате решения урав-

нения общей теории относительности российский математик и геофизик

А.А. Фридман (1888—1925) предсказал расширение Вселенной.

Анализируя роль принципов симметрии и инвариантности, современ-

ный американский физик-теоретик Э. Вигнер, лауреат Нобелевской пре-

мии 1963 г., применивший теорию групп в квантовой механике, предло-

жил рассматривать ряд ступеней в процессе познания, восхождение по

которым позволяет все глубже и глубже познать природные процессы.

Вначале в хаосе эмпирических фактов проявляются некоторые законо-

мерности. Затем в результате обобщения эмпирических фактов и анализа

их связей формулируются фундаментальные законы природы. Наконец,

на основании известных законов выдвигаются принципы, позволяющие

дедуктивным путем предсказать те или иные свойства материальных объ-

ектов. Так создаются естественно-научные теории, охватывающие широ-

121

кий круг природных явлений и процессов. Идею применения основопола-

гающих принципов для объяснения природных явлений впервые предло-

жил и реализовал И. Ньютон еще задолго до появления современных

представлений об инвариантности и симметрии. В своем труде «Оптика»

он писал: «Вывести из явлений два или три общих принципа движения и

затем изложить, как из этих ясных принципов вытекают свойства и дей-

ствия всех вещественных предметов, вот что было бы очень большим

шагом в философии, хотя причины этих принципов и не были еще от-

крыты».

3.7. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ НЬЮТОНА

Законы динамики. Классическая механика Ньютона сыграла и игра-

ет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет

множество физических явлений и процессов в земных и внеземных усло-

виях, составляет основу многих технических достижений. На ее фунда-

менте формировались естественно-научные методы исследований в раз-

личных отраслях естествознания.

Вплоть до начала XX в. в науке господствовало механистическое ми-

ровоззрение: все явления природы можно объяснить движениями частиц

и тел. Утверждению такого воззрения способствовала молекулярно-кине-

тическая теория вещества, позволившая понять механизм теплового дви-

жения молекул. В книге «Эволюция физики» А. Эйнштейн и Л. Инфельд

(1898—1968) назвали развитие кинетической теории вещества одним из

величайших достижений науки, непосредственно связанным с механи-

стическим воззрением.

Основу классической механики составляет концепция Ньютона.

Сущность ее наиболее кратко и отчетливо выразил А. Эйнштейн: «Со-

гласно ньютоновской системе физическая реальность характеризуется

понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимо-

действия материальных точек). В ньютоновской концепции под физиче-

скими событиями следует понимать движение материальных точек в про-

странстве, управляемое неизменными законами. Материальная точка

есть единственный способ нашего представления реальности, поскольку

реальное способно к изменению».

В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики — фундамен-

тальные законы классической механики. Законы Ньютона играют исклю-

чительную роль в естествознании и являются (как и большинство физиче-

ских законов) обобщением результатов огромного человеческого опыта,

о чем сам Ньютон образно сказал: «Если я видел дальше других, то пото-

му, что стоял на плечах гигантов». Законы Ньютона рассматривают обыч-

но как систему взаимосвязанных законов.

122

Первый закон Ньютона:

всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равно-

мерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны

других тел не заставит ее изменить это состояние.

Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного пря-

молинейного движения называется инертностью или инерцией. Поэтому

первый закон Ньютона иногда называют законом инерции.

Для количественной формулировки второго закона динамики вводят-

ся понятия ускорения а, массы тела т и силы F. Ускорение характеризует

быстроту изменения скорости движения тела. Масса — одна из основных

характеристик материальных объектов, определяющая их инерционные

(инертная масса) и гравитационные (тяжелая, или гравитационная,

масса) свойства. Сила — это векторная величина, мера механического

воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате кото-

рого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

Второй закон Ньютона:

ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорцио-

нально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материаль-

ной точки (тела):

Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах

отсчета. Первый закон Ньютона можно получить из второго. Действи-

тельно, в случае равенства нулю равнодействующих сил (при отсутствии

воздействия на тело со стороны других тел) ускорение также равно нулю.

Однако первый закон Ньютона рассматривается как самостоятельный за-

кон, а не как следствие второго закона, поскольку именно он утверждает

существование инерциальных систем отсчета.

Взаимодействие между материальными точками (телами) определя-

ется третьим законом Ньютона:

всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер

взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные

точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют

вдоль прямой, соединяющей эти точки:

Здесь F12 — сила, действующая на первую материальную точку со сторо-

ны второй; F21 — сила, действующая на вторую материальную точку со

стороны первой. Эти силы приложены к разным материальным точкам

(телам), всегда действуют парами и являются силами одной природы.

Третий закон Ньютона позволяет осуществить переход от динамики от-

123

дельной материальной точки к динамике системы материальных точек,

характеризующихся парным взаимодействием.

Законы Ньютона позволяют решить многие задачи механики — от

простых до сложных. Спектр таких задач значительно расширился после

разработки Ньютоном и его последователями нового для того времени

математического аппарата — дифференциального и интегрального ис-

числения, широко применяемого в настоящее время для решения различ-

ных задач естествознания.

Классическая механика и лапласовский детерминизм. Причинное

объяснение многих физических явлений в конце XVIII — начале XIX в.

привело к абсолютизации классической механики. Возникло философ-

ское учение — механистический детерминизм, — основанное П. Лапла-

сом, французским математиком, физиком и философом. Лапласовский

детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма — уверен-

ность в том, что все происходящее имеет причину в человеческом поня-

тии и есть познанная и еще непознанная разумом необходимость. Суть

его можно понять из высказывания Лапласа: «Современные события име-

ют с событиями предшествующими связь, основанную на очевидном

принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, кото-

рая его произвела... Воля, сколь угодно свободная, не может без опреде-

ленного мотива породить действия, даже такие, которые считаются ней-

тральными... Мы должны рассматривать современное состояние Вселен-

ной как результат ее предшествующего состояния и причину последую-

щего. Разум, который для какого-нибудь данного момента знал бы все

силы, действующие в природе, и относительное расположение ее состав-

ных частей, если бы он, кроме того, был достаточно обширен, чтобы под-

вергнуть эти данные анализу, обнял бы в единой формуле движения са-

мых огромных тел во Вселенной и самого легкого атома; для него не было

бы ничего неясного, и будущее, как и прошлое, было бы у него перед гла-

зами... Кривая, описываемая молекулой воздуха или пара, управляется

столь же строго и определенно, как и планетные орбиты: между ними

лишь та разница, что налагается нашим неведением». С этими словами

перекликается убеждение А. Пуанкаре: «Наука детерминистична, она яв-

ляется таковой a priori [изначально], она постулирует детерминизм, так

как она без него не могла бы существовать. Она является таковой и а

posteriori [из опыта]: если она постулировала его с самого начала как не-

обходимое условие своего существования, то она затем строго доказыва-

ет его своим существованием, и каждая из ее побед является победой де-

терминизма».

Дальнейшее развитие физики показало, что для некоторых природ-

ных процессов трудно определить причину. Например, радиоактивный

распад происходит случайно. Подобные процессы объективно случайны,

а не потому, что мы не можем указать их причину из-за недостатка наших

знаний. И наука при этом не перестала развиваться, а обогатилась новы-

124

ми законами, принципами и концепциями, что свидетельствует об огра-

ниченности классического принципа — лапласовского детерминизма.

Абсолютно точное описание всего прошедшего и предсказание будущего

для колоссального разнообразия материальных объектов, явлений и про-

цессов — задача сложная и лишенная объективной необходимости. Даже

для самого простейшего объекта — материальной точки — из-за конеч-

ной точности измерительных приборов абсолютно точное предсказание

также нереально.

Согласно современным представлениям, классическая механика име-

ет свою область применения: ее законы выполняются для относительно

медленных движений тел, скорость которых много меньше скорости све-

та в вакууме. В то же время практика показывает: истинность законов

классической механики не вызывает сомнений. Важное значение класси-

ческой физики заключается в том, что она навсегда останется совершен-

но необходимым «мостом», соединяющим человека как макросубъекта

познания со все более глубокими уровнями микро- и мегамира. Такое

значение неоднократно подчеркивал один из создателей квантовой меха-

ники Н. Бор: «Как бы далеко ни выходили явления за рамки классическо-

го физического объяснения, все опытные данные должны описываться

при помощи классических понятий. Обоснование этого состоит просто в

констатации точного значения слова «эксперимент». Словом «экспери-

мент» мы указываем на такую ситуацию, когда мы можем сообщить дру-

гим, что именно мы сделали и что именно мы узнали. Поэтому экспери-

ментальная установка и результаты наблюдений должны описываться

однозначным образом на языке классической физики».

3.8. СТАТИСТИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА МАКРОСИСТЕМ

Развитие представлений о природе тепловых явлений. Вокруг нас

происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим

движением. Это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел,

представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного со-

стояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное) (рис.

3.2). Такие явления называются тепловыми. Они играют огромную роль в

жизни людей, животных и растений. Изменение температуры на

20—30 °С при смене времени года меняет все вокруг нас. С наступлением

весны природа преображается, леса и луга зеленеют. От температуры ок-

ружающей среды зависит возможность жизни на Земле. Люди добились

относительной независимости от окружающей среды после того, как нау-

чились добывать и поддерживать огонь. Это было одним из величайших

открытий, сделанных на заре зарождения человечества.

125

Развитие представлений о природе теп-

ловых явлений — пример того, каким слож-

ным и противоречивым путем постигается

естественно-научная истина. Многие фило-

софы древности рассматривали огонь и свя-

занную с ним теплоту как одну из стихий,

которая наряду с землей, водой и воздухом

образует все тела. Одновременно предпри-

нимались попытки связать теплоту с движе-

нием, ибо было замечено, что при соударе-

нии тел или их трении они нагреваются.

Первые успехи на пути построения науч-

ной теории теплоты относятся к началу

XVII в., когда был изобретен термометр и

появилась возможность количественного

исследования тепловых процессов и свойств

макросистем. Вновь перед наукой встал во-

прос: что же такое теплота? Наметились две

противоположные точки зрения. Согласно

одной из них — вещественной теории теп-

ла — теплота рассматривалась как особого

рода невесомая «жидкость», способная пе-

ретекать от одного тела к другому. Такая

жидкость была названа теплородом. Чем

больше теплорода в теле, тем выше темпера-

тура тела. Приверженцы другой точки зре-

ния полагали, что теплота — это вид внут-

реннего движения частиц тела. Чем быст-

рее движутся частицы тела, тем выше его

температура. Таким образом, представление

о тепловых явлениях и свойствах связыва-

лось с атомистическим учением древних фи-

лософов о строении вещества. В рамках по-

добных представлений теорию тепла перво-

начально называли корпускулярной (от слова

«корпускула» — частица). Ее придержива-

лись Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли и др.

Большой вклад в развитие корпускуляр-

ной теории тепла сделал М.В. Ломоносов,

рассматривавший теплоту как вращательное

движение частиц вещества. С помощью сво-

ей теории он объяснил в общем процессы

плавления, испарения и теплопроводности, а также пришел к выводу о

существовании «наибольшей или последней степени холода», когда дви-

жение частичек вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова

среди русских ученых было очень мало сторонников вещественной тео-

рии теплоты.

И все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории

теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория тепло-

рода. Это произошло после экспериментального доказательства сохране-

ния теплоты при теплообмене, что послужило основанием для вывода о

сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости — теплорода. С помо-

щью введенного понятия теплоемкости тел удалось создать количествен-

ную теорию теплопроводности. Многие термины, введенные в то время,

сохранились доныне.

В середине XIX в. установлена связь между механической работой и

количеством теплоты. Подобно механической работе, количество тепло-

ты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела связано не с уве-

личением в нем количества особой невесомой «жидкости», а с увеличени-

ем его энергии. Теплота представляет собой форму энергии. Принцип те-

плорода был вытеснен фундаментальным законом сохранения энергии.

Значительный вклад в развитие теории тепловых явлений и свойств

макросистем внесли немецкий физик Р. Клаузиус (1822—1888), англий-

ский физик-теоретик Дж. Максвелл, австрийский физик Л. Больцман

(1844—1906) и др.

Термодинамическое и статистическое описание свойств макро-

систем. Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию

двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов иссле-

дования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического

и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в

основе термодинамики, второй — молекулярной физики.

Термодинамика — наука о тепловых явлениях, в которой не учитыва-

ется молекулярное строение тел и тепловые явления характеризуются па-

раметрами, регистрируемыми приборами (термометром, манометром и

др.), не реагирующими на воздействие отдельных молекул. Законы тер-

модинамики описывают тепловые свойства тел, число молекул в которых

огромно. Такие тела называются макросистемами. Газ в баллоне, вода в

стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т.п. — все это примеры

макросистем. Тепловые свойства макросистем определяются термодина-

мическими параметрами (параметрами состояния): температурой, давле-

нием и удельным объемом (объемом единицы массы). Эти параметры

часто называются функциями состояния системы.

Температура — физическая величина, характеризующая состояние

термодинамического равновесия макроскопической системы. В соответ-

127

ствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960) в

настоящее время рекомендовано применять только две температурные

шкалы — термодинамическую и Международную практическую, гра-

дуированные соответственно в кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С).

Анализ показывает, что 0 К (абсолютный нуль) недостижим, хотя сколь

угодно близкое приближение к нему возможно.

К концу XIX в. была создана последовательная теория, описывающая

свойства большой совокупности атомов и молекул — молекулярно-кине-

тическая теория, или статистическая механика. Процессы, изучаемые

молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия ог-

ромного числа молекул, которое анализируется статистическим методом,

основанным на том, что свойства макросистемы в конечном результате

определяются особенностями движения частиц и их усредненными кине-

тическими и динамическими характеристиками (скоростью, энергией,

давлением и т. д.). Например, температура тела зависит от скорости бес-

порядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени

разные молекулы имеют различные скорости, ее удобно определять через

среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о темпе-

ратуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют

физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

Термодинамические и статистические методы описания свойств мак-

росистем дополняют друг друга и широко используются при решении

различных естественно-научных задач.

Основные положения молекулярно-кинетических представле-

ний. В основе молекулярно-кинетических представлений о строении и

свойствах макросистем лежат три основных положения:

— любое тело — твердое, жидкое или газообразное — состоит из боль-

шого числа весьма малых частиц — молекул (атомы можно рассматривать

как одноатомные молекулы);

— молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотиче-

ском, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении;

— интенсивность движения молекул, определяемая их скоростью, зави-

сит от температуры вещества.

Тепловые свойства вещества связаны с его внутренним строением.

Например, нагревание кусочка парафина на несколько десятков градусов

превращает его в жидкость, а подобное нагревание металлического

стержня не оказывает на него заметного влияния. Такое различное дейст-

вие нагревания связано с различием во внутреннем строении данных ве-

ществ. Поэтому исследование тепловых явлений можно использовать для

выяснения общей картины строения вещества. И наоборот, определен-

128

ные представления о строении вещества помогают понять физическую

сущность тепловых явлений, дать им глубокое наглядное истолкование.

Количественным воплощением молекулярно-кинетических пред-

ставлений являются опытные газовые законы (законы Бойля—Мариотта,

Гей—Люссака, Шарля, Авогадро, Дальтона), уравнение Клапейро-

на—Менделеева (уравнение состояния), основное уравнение кинетиче-

ской теории идеальных газов, закон Максвелла для распределения моле-

кул и др.

Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории вытекает

важный вывод:

средняя кинетическая энергия поступательного движения одной моле-

кулы идеального газа прямо пропорциональна его термодинамической тем-

пературе и зависит только от нее:

где k — постоянная Больцмана; T — температура.

Из данной формулы следует, что при Т = 0 К средняя кинетическая

энергия равна нулю, т.е. при абсолютном нуле прекращается поступа-

тельное движение молекул газа, и, следовательно, его давление равно

нулю. Термодинамическая температура — мера кинетической энергии

поступательного движения молекул идеального газа, а приведенная фор-

мула раскрывает молекулярно-кинетическое толкование температуры.

Первое положение молекулярно-кинетических представлений — лю-

бое тело состоит из большого числа весьма малых частиц-молекул — до-

казано многочисленными опытами, одновременно подтвердившими ре-

альное существование молекул и атомов. Приведем некоторые цифры,

показывающие, насколько малы размеры молекул и атомов и как много их

содержится в каком-либо макроскопическом теле. С помощью ионного

микроскопа удалось показать, что диаметр атомов вольфрама составляет

около 20 нм (1 нм = 10-9 м). Размер молекулы водорода примерно того же

порядка — около 23 нм. Очевидно, при очень малых размерах молекул

число их в любом макроскопическом теле огромно. Несложный расчет по-

казывает, что число молекул в капле воды составляет около 3 • 1022. Такой

маленький объект, а такое колоссальное количество молекул!

3.9. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ

Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает

внутренней энергией — энергией теплового (поступательного, враща-

тельного и колебательного) движения молекул и потенциальной энерги-

ей их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней

9-3290 129

энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними

телами: совершение работы и теплообмен.

Известно, что в процессе превращения энергии действует закон со-

хранения механической энергии. Поскольку тепловое движение тоже ме-

ханическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превра-

щениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внеш-

них, но и внутренних движений. Данное утверждение составляет основу

первого начала термодинамики:

количество теплоты Q, сообщенное телу, идет на увеличение его внут-

ренней энергии U и на совершение телом работы А, т.е.

Q = U + А.

Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозмо-

жен вечный двигатель первого рода, т.е. такой двигатель, который совер-

шал бы работу «из ничего», без внешнего источника энергии. При нали-

чии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию

теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной не-

возможности полного превращения энергии внешнего источника в полез-

ную работу.

Многочисленные опыты показывают, что все тепловые процессы в

отличие от механического движения необратимы, т.е. для них обратные

процессы, при которых реализуются те же тепловые состояния, но только

в обратном направлении, практически невозможны. Другими словами,

термодинамические процессы необратимы. Приведем два характерных

примера необратимых процессов. Если привести в соприкосновение два

тела с различной температурой, то более нагретое тело будет отдавать те-

пло менее нагретому. Обратный процесс — самопроизвольный переход

тепла от менее нагретого тела к более нагретому — никогда не произой-

дет. Столь же необратимым является и другой процесс — расширение

газа в пустоту. Газ, находящийся в части сосуда, отдаленной от другой

части перегородкой, после ее удаления заполняет весь сосуд. Без посто-

роннего вмешательства газ никогда не соберется самопроизвольно в той

же части сосуда, где он находился первоначально.

Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в со-

стояние термодинамического равновесия, в котором тела находятся в со-

стоянии покоя по отношению друг к другу, обладая одинаковыми темпе-

ратурой и давлением.

Равенство температур во всех точках есть условие равновесия двух сис-

тем или двух частей одной и той же системы.

Это положение называется нулевым началом термодинамики. Дос-

тигнув равновесия, система сама по себе из него не выходит. Значит, все

130

термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равнове-

сию, необратимы. Необратимы и все механические процессы, сопровож-

дающиеся трением. Трение вызывает замедление движения тел, при ко-

тором кинетическая энергия переходит в тепло. Замедление эквивалент-

но приближению к состоянию равновесия, при котором движение тел от-

сутствует.

В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без

внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Сле-

довательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равнове-

сии, невозможно совершить никакой работы, так как работа связана с ме-

ханическим движением, т.е. с переходом тепловой энергии в кинетиче-

скую. Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии

тел, находящихся в термодинамическом равновесии, лежит в основе вто-

рого начала термодинамики.

Окружающая нас среда обладает колоссальным запасом тепловой

энергии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в

тепловом равновесии тел, был бы практически вечным двигателем. Вто-

рое начало термодинамики исключает возможность создания такого веч-

ного двигателя второго рода.

Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер.

Самопроизвольный переход тела из равновесного состояния в неравно-

весное не невозможен, а лишь весьма маловероятен. В конечном резуль-

тате необратимость тепловых процессов обусловливается колоссально-

стью числа молекул, из которых состоит тело.

Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, т.е. к со-

стоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором при-

мерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево,

причем в каждом объеме находятся примерно одинаковое число молекул,

одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней час-

тях какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса,

т.е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по мес-

там и скоростям, связано с уменьшением вероятности, или представляет

собой менее вероятное событие. Напротив, процессы, связанные с пере-

мешиванием, с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность со-

стояния. Только при внешнем воздействии возможно рождение порядка

из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, де-

монстрирующих порядок, можно привести созданные природой минера-

лы, построенные человеком большие и малые сооружения и т.п.

Количественной характеристикой теплового состояния системы яв-

ляется термодинамическая вероятность W, равная числу микроскопиче-

131

ских способов, с помощью которых это состояние может быть достигну-

то. Система, предоставленная самой себе, стремится перейти в состояние

с большим значением W. Принято пользоваться не самой вероятностью

W, а ее логарифмом, который еще умножается на постоянную Больцмана

к. Определенную таким образом величину

называют энтропией системы. Эта формула высечена на памятнике

Больцману.

Обсуждая принцип Больцмана, немецкий физик и математик А. Зом-

мерфельд (1868—1951) писал: «Высеченная на памятнике Больцману на

Венском кладбище эта формула парит на фоне облаков над могилой вели-

кого Больцмана. Неважно, что сам Больцман никогда не писал этой фор-

мулы. Это сделал Планк в первом издании лекций по теории теплового

излучения (1906). Планку же принадлежит введение постоянной к. Сам

Больцман говорил только о пропорциональности между энтропией и ло-

гарифмом вероятности состояния. Термин «принцип Больцмана» был

введен Эйнштейном». Возрастание энтропии для необратимых процес-

сов есть следствие перехода системы от менее вероятного состояния к бо-

лее вероятному, при этом состояние равновесия выступает как наиболее

вероятное.

Второе начало термодинамики, определяющее направление тепло-

вых процессов, формулируется как закон возрастания энтропии:

для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтро-

пия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замк-

нутой системы достигается в тепловом равновесии:

Идеальному случаю — полностью обратимому процессу замкнутой

системы — соответствует неизменяющаяся энтропия. Все естественные

процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что оз-

начает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру

хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В этой связи

закон о невозможности вечного двигателя второго рода, закон о стремле-

нии тел к равновесному состоянию получает свое объяснение. Почему

механическое движение переходит в тепловое? Да потому, что механиче-

ское движение упорядочено, а тепловое беспорядочно, хаотично.

В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти

Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя

к ней второе начало термодинамики, немецкий физик Р. Клаузиус

132

(1822—1888) пришел к заключению: энтропия Вселенной достигнет сво-

его максимума. Это означает, что все формы движения со временем пе-

рейдут в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным при-

ведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т.е. на-

ступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекра-

тятся — наступит тепловая смерть Вселенной. Ограниченность такого

вывода заключается в том, что бессмысленно применять второе начало

термодинамики к незамкнутым системам, к которым относится и наша

Вселенная.

Открытие второго начала термодинамики связано с трудами француз-

ского ученого и инженера С. Карно (1796—1832), английского физика У.

Томсона (барона Кельвина) (1824—1907) и Р. Клаузиуса. Работа С. Кар-

но проложила дорогу, по которой У. Томсон и Р. Клаузиус пришли в 50-е

годы XIX в. к фундаментальному закону — второму началу термодина-

мики. Один из основоположников термодинамики неравновесных про-

цессов, бельгийский физик и физикохимик И.Р. Пригожин (1917—2003)

в своей Нобелевской лекции в 1977 г. отметил: «В истории науки второй

закон термодинамики сыграл выдающуюся роль, далеко выходящую за

рамки явлений, для объяснения сущности которых он был предназначен.

Достаточно вспомнить работы Больцмана в области кинетической тео-

рии, разработку Планком квантовой теории излучения и Эйнштейном

теории спонтанной эмиссии; в основе всех этих достижений лежит вто-

рой закон термодинамики».

При абсолютном нуле температуры энтропия принимает значение, не за-

висящее от давления, агрегатного состояния и других характеристик веще-

ства. Такое значение можно положить равным нулю.

Это утверждение называется тепловой теоремой, впервые сформу-

лированной немецким физикохимиком В.Г. Нернстом (1864—1941), лау-

реатом Нобелевской премии по физике 1920 г. Теорема Нернста не выте-

кает из первых двух начал, поэтому в силу своей общности она рассмат-

ривается как третье начало термодинамики.

Теоремой Нернста завершается построение классической термодина-

мики. В то же время естественно-научные проблемы сегодняшнего дня

привели к созданию совершенно новой отрасли естествознания — нерав-

новесной термодинамики. Хотя сфера применения классической термо-

динамики давно определена и известны принципы, лежащие в ее основе,

однако в самой равновесной термодинамике есть области, которые пред-

ставляют теоретический и практический интерес и непременно будут раз-

виваться. К ним относится термодинамика реальных тел, сжатых газов,

жидкостей, кристаллов, дисперсных систем, химических процессов и т.д.

133