Вопросы для самоконтроля:

1. Сформулируйте классический принцип относительности.

2. Можно ли, находясь в трюме корабля, как-нибудь определить, движется ли он равномерно или покоится?

3. В чем заключался эксперимент Майкельсона-Морли? Какова была его цель и была ли она достигнута?

4. Каким образом Лоренц объяснил отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли?

5. Что происходит с линейными размерами тела при увеличении скорости его движения?

6. Для наблюдателя, находящегося на космическом корабле, движущемся с околосветовой скоростью относительно Земли какие-то два события происходят одновременно. Покажутся ли они одновременными наблюдателю, находящемуся на Земле?

7. Некоторые нестабильные элементарные частицы существуют миллиардные доли секунды, что значительно превосходит разрешающие способности современной экспериментальной техники. И тем не менее экспериментаторы регистрируют существование подобных частиц. Почему это происходит?

8. В чем состоит парадокс близнецов? Возможно ли его разрешение в рамках специальной теории относительности?

9. Чем отличается общая теория относительности от специальной?

10. Как объясняется притяжение Земли к Солнцу с точки зрения общей теории относительности?

Литература.

1. Воронов В.К., Гречнева М.В., Сагдеев Р.З. Основы современного естествознания. - М., 1999, с.61-70.

2. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М., 1998, с.81-90.

3. Кокин А.В. Концепции современного естествознания. - М., 1998, с.61-64.

4. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М., 1997, с.58-66.

5. Мотылева Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепции современного естествознания. - С.-Пб, 2000, с.64-81.

6. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. - М., 1998, с.43-45.

7. Борн М. Эйнштейновская теория относительности. - М., 1964.

Тема 7.

ПОРЯДОК И БЕСПОРЯДОК В ПРИРОДЕ. САМООРГАНИЗАЦИЯ

План

1. Загадка теплоты. Теплород и флогистон как лженаучные континуальные конструкты.

2. Проблема измерения количества теплоты и определение температурной шкалы.

3. Идеальная тепловая машина Карно. Первое начало термодинамики.

4. Понятие энтропии. Второе начало термодинамики.

5. Концепция «тепловой смерти» Вселенной.

6. Молекулярно-кинетическая теория Больцмана.

7. Основные идеи концепции самоорганизации (синергетики).

1. Тепловые явления привлекали внимание людей с древнейших времен. Именно умение обращаться с огнем выделило людей из животного мира. Однако научное понимание тепловых явлений формировалось в течение длительного периода сложным и весьма противоречивым образом. Так, к Ньютону восходит понимание теплоты как неупорядоченного (хаотического) движения частиц вещества. Данная идея была адекватной, однако в рамках ньютоновской механике подобной молекулярно-кинетической концепции невозможно было дать адекватного математического воплощения. Математический аппарат ньютонизма был приспособлен только для описания простейших механических систем, а не сложных материальных образований с хаотическим движением.

В данной связи ученым пришлось отказаться от корпускулярного объяснения теплоты, сосредоточившись на поиске ее объяснения в духе континуальной концепции. Было обращено внимание на два обстоятельства: подобно жидкости теплота сохраняется в теплоизолированных пространствах (1); теплота перетекает только от более нагретого тела к менее нагретому, подобно тому, как жидкость перетекает из сосуда с более высоким ее уровнем в сосуд с менее высоким ее уровнем (2). Отсюда был сделан вывод, что теплота представляет собой особого рода невесомую невидимую жидкость – теплород.

Аналогичным образом в 18 веке объясняли и процессы горения, предположив, что в этом случае высвобождается особая жидкость с отрицательной массой – флогистон. И если теорию флогистона довольно быстро вытеснила кислородная теория горения, то представления о теплороде просуществовали еще сравнительно долгое время.

2. Построение физической теории теплоты требовало ее количественного выражения. Исходная идея заключалась в том, что степень нагретости тела зависит от процентного содержания теплорода в нем. При этом 0 градусов соответствует минимальному содержанию теплорода, а 100 градусов - максимальному. Однако экспериментально определить абсолютный максимум и абсолютный минимум теплоты не представлялось возможным. В результате были созданы относительные температурные шкалы, наиболее известные из которых – шкала Фаренгейта, Реомюра, Цельсия.

3. Постепенно накапливались факты, подрывавшие теорию теплорода. Например, Румфорд указал на то обстоятельство, что при сверлении медной заготовки для пушечного ствола стальным сверлом выделяется большое количество тепловой энергии, т.е. механическая работа в данном случае порождает теплоту. Сторонники теории теплорода пытались объяснить подобные явления его «выдавливанием», но эта странная ad hoc – гипотеза не выдерживала никакой критики.

Румфорду и Дэви фактически удалось опровергнуть теорию теплорода, однако, разумной альтернативы теплороду тогда не было. В результате формируется феноменологическая теория теплоты, суть которой в том, что никакого теплорода на самом деле нет, но теоретически рассуждать следует так, как если бы он был.

Именно в подобном ключе была выполнена работа Сади Карно, посвященная рассмотрению идеальной тепловой машины или устройства, способного превращать тепловую энергию в механическую работу. Тепловая машина Карно становится техническим прообразом двигателей 19 и 20 столетия, фактически открыв человечеству путь в век пара и электричества.

Концептуальным выражением феноменологической теории теплоты стало первое начало термодинамики или положение, согласно которому в замкнутой системе суммарное количество теплоты сохраняется, либо идет на совершение механической работы.

4. Следствием первого начала термодинамики явилось положение о невозможности построения вечного двигателя первого рода, т.е. устройства совершающего работу без затрат энергии. Клаузиус, однако, обратил внимание на то обстоятельство, что теория Карно не запрещает вечный двигатель второго рода или устройство, совершающее работу за счет охлаждения ниже температуры окружающей среды. Например, альтернативой парового двигателя могло бы выступить устройство, работающее за счет охлаждения морской воды до состояния льда.

Теоретическое обоснование невозможности устройств подобного типа давала концепция энтропии или меры неупорядоченности термодинамической системы. Клаузиус формулирует второе начало термодинамики, согласно которой в замкнутой системе температура ее составляющих может только выравниваться, что соответствует росту энтропии, достигающей максимума в состоянии теплового равновесия. Иначе говоря, энтропия в замкнутой системе может только возрастать.

5. Следствием второго начала термодинамики явилась концепция тепловой смерти Вселенной, согласно которой все звезды во Вселенной рано или поздно погаснут, что приведет к полному прекращению теплообмена и, соответственно, жизни. Данная концепция имела негативный мировоззренческий эффект, что повлекло за собой разочарование в прогрессистских и материалистических идеалах.

6. Новый этап в развитии термодинамики связан с деятельностью Людвига Больцмана, который применил вероятностные методы для описания термодинамических систем, теоретически рассмотрев распределение молекул идеального газа по скоростям (распределение Больцмана). В итоге ему удалось выразить температуру как величину, пропорциональную средней кинетической энергии движения молекул. Аналогичным образом он доказал, что максимум энтропии соответствует наиболее вероятному состоянию термодинамической системы.

Тем самым Больцман осуществил построение молекулярно-кинетической теории теплоты, реализовав корпускуляристскую программу, намеченную еще Ньютоном. Примечательно, что коллеги Больцмана отрицательно отнеслись к его теоретическим разработкам, назвав его защитником старых, отживших свое идей. Психологическое давление на Больцмана было столь велико, что он покончил жизнь самоубийством.

7. Примечательно, что существование жизни на Земле противоречило второму началу термодинамики. Действительно, температура тела человека остается постоянной, независимо от температуры окружающей среды до тех пор, пока человек жив. Проблема, однако, заключалась исключительно в том, что классическая термодинамика имела дело с закрытыми системами, в то время как живые системы являются открытыми и неравновесными.

Изучение подобного рода систем начинает осуществляться лишь во второй половине 20 века в рамках теории самоорганизации (синергетики), восходящей к работам И. Пригожина. Биологические и социальные образования характеризуются сложностью и непредсказуемостью. Еще одной особенностью подобных систем является необратимость происходящих в них изменений.

Именно необратимые процессы делают необратимым время. Если простейшие механические движения, изучаемые в рамках ньютоновской механики обратимы, что порождает иллюзию обратимости времени, то, например, физиологические процессы, подобные питанию, старению, умиранию и т.п. – необратимы. Согласно учению Пригожина, сложная система проходит два этапа в своей эволюции: длительное относительно устойчивое развитие, когда будущее системы однозначно предсказуемо, и точка бифуркации, в которой система теряет свою устойчивость, становясь абсолютно непредсказуемой. Для социальных систем в качестве подобных экстремальных точек выступают войны, революции, экономические кризисы и т.п.

Тем самым синергетика практически осуществила реальное преодоление методологической противоположности между гуманитарными и естественными науками, выступив в качестве интегральной общенаучной методологии. Именно синергетическое понимание позволяет рационально понять историю, а также процессы, происходящие в духовной и культурной сферах.