Страница 81 из 120
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 ее 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)»[297].
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 нерешима. 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 на 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 Бенуа Поля Клапейрона (1799–1864), который, исходя из идей Карно, 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. Томсоном первую формулировку второго начала, введшего понятие энтропии, дифференциал которой в равновесном процессе
dS = dQ/T
(где dQ, ккал — подводимое тепло и Т, К — абсолютная температура), а в неравновесном процессе[298]
dS > dQ/T
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 (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 (но 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 Больцмана (1844–1906), давшего уравнение, носящее его имя, согласно которому между энтропией S и термодинамической вероятностью W состояния вещества существует зависимость
S = k lnW
(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 скоростям.
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 большинстве 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»[299]. 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 Томсона разделяли многие.
Но в науке не существует «вечных» теорий. Это можно прекрасно видеть на 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?[300]
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. на магнитную иглу действует сила, перпендикулярная к линии, проходящей через иглу и контур. Как это объяснить с точки зрения механики?
297
Цит. по: Кириллин В. Л., Сычев В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика, 3-е изд. М., 1979, с. 502.
298
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.
299
Это явление, грубо говоря, заключалось в том, что классические законы теплового излучения но соответствовали некоторым экспериментам.
300
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.