Физика

(от древнегреч. Physis - природа).Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание термина "физика" сохранилось до конца 17 в. Позднее появился ряд специальных дисциплин. Химия, исследующая свойства вещества, обусловленные особенностями его атомной структуры, биология, изучающая живые организмы и т.д. Помимо традиционных предметов исследования, о которых пойдет речь ниже, физика занимается столь разными проблемами, как поведение смазки в машинах, процессы образования химических связей, хранение и передача генетической информации в живых системах и т.д. Объединяющий принцип физики как науки кроется не столько в предметах исследования, сколько в подходе к их изучению, и этим физика отличается от других наук.

Опираясь на определенные аксиомы и гипотезы, проводя эксперименты и используя математические методы, она стремится объяснить все многообразие природных явлений исходя из небольшого числа взаимосогласующихся принципов. Физик надеется, что, когда о природных явлениях станет известно достаточно много и когда они будут достаточно хорошо поняты, множество других, на первый взгляд разрозненных и не связанных с ними фактов уложатся в простую, допускающую математическое описание схему.РАННЯЯ ИСТОРИЯ ФИЗИКИДо эпохи Возрождения, последовавшей за тысячелетием застоя, большинство научных открытий было совершено в Древней Греции, хотя родиной многих открытий и изобретений были также арабские страны и Китай. Особенно больших успехов греки достигли в математике и астрономии.

Правда, многое из того, что принято в наследство от древних греков, было известно уже вавилонянам. Однако именно греки ввели понятие доказательства. Греческим мыслителям мы обязаны и другой важной идеей. О возможности объективного познания природы. И все же физика древних греков во многом была несовершенной. Ее основные представления были разработаны Аристотелем и базировались на аналогиях с поведением человека и животных в том смысле, что явления природы объяснялись целями, достижению которых они якобы служат. Греческие астрономы наблюдали небо и записывали свои наблюдения, однако не существует никаких свидетельств того, что они проводили научные эксперименты. Античный мир породил лишь две фигуры, внесшие важный вклад в формирование основ современной физики.

Демокрит из Абдеры (ок. 460-370 до н.э.) во Фракии (ныне Болгария) и Архимед из Сиракуз (ок. 287-212 до н.э.). Демокрит первым из великих математиков оказал глубокое влияние на развитие физики. Более всего Демокрит известен как создатель атомистической теории. Идея атомистики, по-видимому, зародилась у его учителя Левкиппа из Милета, фигуры апокрифической, о котором мало что известно. Аргументы атомистов носили косвенный характер (чему вряд ли приходится удивляться, если принять во внимание, что прямые экспериментальные исследования атомных явлений стали возможны только в 20 в.). Они полагали, что, хотя в природе и происходят непрерывные изменения, в ней также, по всей видимости, имеется некий неизменный субстрат.

Демокриту этот субстрат виделся как совокупность атомов, а рост и распад организмов и растений - лишь как проявления изменений в расположении неизменных атомов. Плавление твердых тел и испарение жидкостей он объяснял как переход совокупности атомов к менее связанному состоянию. Эпохальные открытия часто можно отнести к одной из двух категорий. Открытие первого рода состоит в обнаружении неожиданно нового явления в эксперименте, который может быть повторен с тем же результатом кем угодно. Такое открытие заставляет пересмотреть понятия, ранее считавшиеся твердо установленными. В качестве примера можно привести обнаружение Галилеем спутников Юпитера и открытие Рентгеном излучения, носящего ныне его имя. К открытиям другого рода принадлежат такие, в которых наблюдаемые явления оставляют место для размышлений и выводов.

Такие открытия в конечном счете основаны на свойственном ученому интуитивном ощущении природы вещей, и именно к ним относятся открытия, совершенные Левкиппом и Демокритом. К этой же категории принадлежат теория строения Солнечной системы Коперника и специальная и общая теории относительности Эйнштейна. Второй великий предтеча современной физики, Архимед, был величайшим математиком древности. В центре его интересов была статика, которая занимается изучением сил в состоянии равновесия. Например, Архимед показал, как находить центр тяжести различных геометрических фигур. Другая важная работа Архимеда - трактат о гидростатике и плавающих телах. Хотя его труды, в отличие от атомистической теории, не были нацелены на выяснение самой сути природы, они позволили физике подняться еще на одну ступень, показав, как с помощью математики можно расширить физические представления.

Иногда математика дает возможность систематизировать все следствия некой физической гипотезы, выражая их в виде соотношений, истинность или ложность которых поддается экспериментальной проверке. В древности этот вывод сделал для себя, пожалуй, лишь Архимед. В Средние века этот урок был предан забвению, и его пришлось открывать заново в эпоху Возрождения.ВОЗРОЖДЕНИЕВ конце 16 в. В теоретической астрономии возник кризис, распространившийся и на другие области естествознания. Его результатом стал полный переворот во взглядах человека на самого себя и на окружающий его мир. Событие, послужившие причиной такого переворота, внешне выглядело вполне заурядно. В 1543 вышла в свет книга Коперника Об обращениях небесных сфер (De Revolutionibus), в которой было показано, что движение небесных тел легче понять и описать, если предположить, что в центре Солнечной системы находится Солнце, а Земля - лишь одна из планет, которые обращаются вокруг него.

Старая птолемеевская теория помещала неподвижную Землю в центр мироздания, а звезды и планеты, которые мыслились расположенными на прозрачных сферах, обращались вокруг Земли.НИКОЛАЙ КОПЕРНИКНовая теория предлагала по-новому посмотреть на устройство мира. По Аристотелю, Земля находится в центре мироздания потому, что состоит из тяжелых веществ, которых заставило собраться в центре мира их естественное движение. Каждый объект во Вселенной имеет свое собственное место, к которому он стремится, если может двигаться свободно и если его место не занято чем-то другим, что должно находиться в другом месте. Место земли, воздуха, огня и воды - под самой низкой сферой, сферой Луны. Все в более высоких сферах состоит из особой субстанции - эфира - и не подвержено ни изменению, ни гибели.

Понятия собственного места и назначения применимы повсюду. В царствах растений и животных, в человеческих сообществах, в нематериальном мире. Выше всего этого стоит Бог, придающий смысл мирозданию и дарующий ему существование. Солнечная система была важной частью Божественного замысла, и когда Коперник поставил под вопрос эту часть, стало ясно, что опасность грозит и всему целому. К началу 1600-х годов опасность стала еще более реальной. Немецкий астроном И.Кеплер (1571-1630) усовершенствовал коперниковскую теорию, заменив круговые орбиты эллипсами, а неравномерное движение - равномерным, после чего новая теория стала настолько точной, что обращение к старой стало просто неуместным. В 1608 флорентийский математик и физик Галилео Галилей (1564-1642) изобрел телескоп, с помощью которого вскоре удалось получить наглядное подтверждение правильности новой теории, и решился высказать мысль, которая должна была произвести переворот в умах итальянцев и прежде всего - в умах папы Урбана VIII и кардиналов.

"О философии - писал Галилей - можно прочесть в величественной книге - я имею в виду Вселенную, и эта книга постоянно открыта нашему взору, но понять ее может лишь тот, кто сначала научится постигать ее язык и толковать символы, которыми она пользуется. Написана же она на языке математики, а символы ее - треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без которых человек не смог бы понять в ней ни единого слова. Без них он был бы обречен блуждать в потемках по лабиринту".ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЙТысячу лет люди искали истину в бесконечных спорах о латинских текстах отцов церкви. Оказывается, они использовали не тот язык и не те книги. После нескольких тайных заседаний суда инквизиции Галилею было запрещено следовать коперниковскому учению.

Галилей не подчинился и в 1633 в возрасте 70 лет был вызван на публичный процесс, отрекся от своего учения, несмотря на это, был приговорен к пожизненному домашнему аресту. Но этот запрет вернул Галилея к фундаментальным исследованиям, и через пять лет он опубликовал свой последний и наиболее значительный труд Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки (рус. Перевод 1934). Науки эти - статика, занимающаяся изучением сил, находящихся в равновесии, и динамика, изучающая движения под действием сил. Эта работа Галилея стала основой исчерпывающего объяснения коперниковской системы, которое Ньютон дал спустя 50 лет.ПРИРОДА КАК МЕХАНИЗМИ. Ньютон (1643-1727) родился в протестантской Англии менее чем через год после смерти Галилея.

Научная деятельность Ньютона протекала в основном в Кембридже, где в 1669 он стал профессором математики. Первые открытия в области математики и физики были им сделаны в 24 года. Его открытия в области механики и астрономии подробно изложены в Математических началах натуральной философии (Philosophiae naturalis principia mathematica, 1687). Изложение начинается с формулировок трех законов механики, из которых выводится все остальное в виде последовательности утверждений, задач и математических расчетов, перемежаемых пояснениями (называемыми схолиями), в которых Ньютон комментирует сделанное. Три закона механики формулируются просто. 1. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

2. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. 3. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе - взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны. (Перевод А.Н.Крылова)Новым в системе Ньютона стало понятие силы не просто как некоего действия, а как величины. В первых двух книгах Начал Ньютон показывает, как найти, что произойдет с физическими системами, если к ним приложить различные силы. Далее он рассматривает, какого рода тела встречаются в природе и какие силы на них действуют. Здесь для проверки ньютоновской теории была использована астрономия - область знания, в которой на протяжении 2000 лет велись тщательные наблюдения за движением планет, а последующие работы Коперника и Кеплера привели к созданию непротиворечивой модели Солнечной системы.

В книге III Ньютон показал, что огромное множество самых разнообразных явлений и процессов - движение планет, Луны, спутников Юпитера, комет, приливы, прецессию равноденствий и т.д. - можно объяснить, если принять гипотезу о существовании силы всемирного тяготения, действующей между любыми двумя телами и изменяющейся обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Подробные вычисления были выполнены им с помощью оригинальных математических методов, о которых Г.Лейбниц дал такой отзыв. "Если взять математику от начала мира до того времени, когда жил Ньютон, то сделанное им - гораздо лучшая ее половина".ИСААК НЬЮТОНОбрисовав достижения Ньютона в механике, мы должны теперь упомянуть о том, чего ему не удалось достичь.

Существует ряд других сил, принципиально отличных от гравитационных, законы которых он так и не открыл. Он также не предложил никакого объяснения трем законам движения (впрочем, следует признать, что все это по большей части осталось необъясненным и поныне). На протяжении всей своей жизни он питал надежду объяснить химические явления, применяя к поведению атомов те же законы, что и к движению планет. Ньютон был последовательным атомистом, убежденным, что все вещество состоит из "твердых, массивных, жестких, непроницаемых, подвижных корпускул", а его интуитивное представление о единстве природы привело к совершенно правильному заключению, что корпускулярные свойства присущи также и свету. Далее Ньютон с атомистических позиций рассматривает некоторые химические реакции.

В своих рассуждениях Ньютон предвосхитил многие положения химической науки наших дней, но, как нам теперь ясно, его замысел в принципе не мог быть доведен до завершения, ибо химические явления столь сложны, что без развития экспериментальной техники, лишь в 20 в. Открывшей возможность детального исследования свойств отдельных атомов и субатомных частиц, не было никаких шансов понять, что представляют собой атомы, как они взаимодействуют с образованием химических соединений и каким образом свойства атомов, входящих в состав молекулы данного соединения, определяют его свойства. Еще до Ньютона ряд передовых мыслителей, например Декарт, представляли мир как механизм, действующий по законам причинности и не имеющий границ.

Задуманный и сотворенный Богом, этот механизм далее мог функционировать самостоятельно, возможно, лишь под Его наблюдением. Сознание человека было островком в центре мироздания, всесторонне связанным с божественным механизмом. И хотя жить с такой философией было не слишком уютно и множество вопросов оставалось без ответа, она явилась благодатным облегчением после тысячелетия теологического гнета. Почти 150 лет, последовавших за выходом ньютоновских Начал, физическая наука рационализировалась и систематизировалась без сумятицы и кипения страстей, привносимых новыми идеями. Основной прогресс в этот период заключался в развитии математического аппарата, позволявшего быстро и корректно рассчитывать следствия, вытекающие из теоретических представлений.

Потраченные усилия дали такие плоды, что последующим поколениям ученых, воспитанным на этой философии, оказалось необычайно трудно отказаться от ньютоновского подхода, когда механистическая картина мира стала настолько сложной, что утратила те черты, которые ранее делали ее столь привлекательной. Проследим теперь за наследием ньютоновской философии, распространившейся в различные области исследования, поскольку многие ее слабые, равно как и сильные стороны до сих пор дают о себе знать.Астрономия. Хотя ныне считается, что благодаря Галилею и Ньютону стало понятным устройство Солнечной системы, было бы большой ошибкой думать, что их идеи сразу же получили признание. После выхода Начал еще целое поколение студентов Кембриджа продолжало изучать планетную теорию Декарта, в которой гравитация не играла никакой роли, а на континенте астрономические идеи Ньютона вообще не воспринял ни один из великих математиков, его современников, - ни Лейбниц, ни Гюйгенс, ни Бернулли.

На ум приходит горькое замечание М.Планка. "Новая научная истина торжествует не потому, что переубеждает оппонентов и открывает им глаза, а потому, что ее оппоненты постепенно уходят из жизни и вырастает новое поколение, для которого она новой уже не является". Следует также иметь в виду, что очень долго существовали серьезные основания сомневаться в справедливости теории Ньютона. Она проста применительно к движению одной планеты вокруг Солнца и дает результаты, которые согласуются с эмпирическими законами движения планет Кеплера. Планеты движутся по эллиптическим орбитам с Солнцем в одном из фокусов. Прямая, проведенная от Солнца к планете, за равные промежутки времени охватывает равные секториальные площади.

Отношение куба среднего расстояния до Солнца к квадрату периода обращения вокруг Солнца есть величина постоянная для каждой из планет. Существовавшие же данные астрономических наблюдений отличались не только высокой точностью, но и охватывали более чем 2000-летний период времени, а эти данные показывали, что наблюдаемое движение планет отклоняется от предсказанного на основании столь простых законов. Так, Юпитер в действительности движется быстрее и находится ближе к Солнцу, а Сатурн - медленнее и дальше от Солнца. И лишь в 1784, спустя 97 лет после выхода Начал, П.Лаплас установил, что эти расхождения связаны с возмущениями орбит, вызванными взаимным притяжением планет, и согласуются с законами Ньютона.

Были обнаружены и получили свои объяснения и другие расхождения теории и наблюдений, и лишь в 1915 А.Эйнштейн (1879-1955) показал, что обнаруженное задолго до этого небольшое несоответствие в движении Меркурия требует для своего объяснения новой теории. Общая теория относительности Эйнштейна явилась первой серьезной модификацией теории планетных движений Ньютона. К сожалению, предсказываемые этой теорией эффекты настолько слабы, что окончательная ее проверка еще впереди. И поныне ряд несоответствий остается без объяснения.Оптика. Линзы появились в весьма древние времена. Кусок горного хрусталя в форме линзы был найден в развалинах Ниневии. Аристофан (5 в. До н.э.) был знаком с применением линз в качестве зажигательных стекол.

Через три столетия александрийский астроном Птолемей проводил опыты по преломлению света при переходе его из воздуха в воду или стекло. Составленные Птолемеем таблицы сохранились до нашего времени. Древнегреческие мыслители занимались и теорией зрения. Пифагорейцы, как и Демокрит, учили, что видимый предмет посылает в глаз наблюдателя частицы света. Платон и его последователи считали, что мы видим, когда некое явление, источаемое из нашего глаза, взаимодействует с влияниями, исходящими от объекта и Солнца. Бурное развитие науки знаменовалось изобретением новых оптических инструментов и новой волной интереса к зрительному процессу. Около 1608 появился телескоп. Почти сразу же после этого были изобретены микроскопы, которые нетрудно получить из телескопов, просто переставив линзы.

Диоптрика (Dioptrica) Кеплера, в которой впервые излагалась теория оптических инструментов, была опубликована в 1611, а закон преломления света при входе в стекло и выходе из него, который пытался установить еще Птолемей, оставался неизвестным до 1637, когда Декарт опубликовал его в своей Диоптрике (Dioptique). Формулировка этого закона (правда, отличная от обычной) была обнаружена в трудах голландского математика В.Снеллиуса уже после его смерти в 1626. Декарт объяснял закон Снеллиуса гипотетическим изменением скорости света при переходе через границу сред, однако фактически о скорости света не было известно ничего, кроме того, что она очень велика. В 1676 датчанин О.Ремер показал, что наблюдаемые в движении спутников Юпитера отклонения можно объяснить, допустив, что свету требуется 22 мин для преодоления расстояния, равного диаметру земной орбиты.

Единственное значение для диаметра земной орбиты, которым астрономы располагали в то время, была грубая и довольно произвольная оценка, предложенная директором Парижской обсерватории Ж.Кассини, и из нее следовало, что скорость света составляет около 200 000 км/с. Адекватные оценки размеров Солнечной системы были получены только сто лет спустя, но лишь в 1849 А.Физо впервые измерил скорость света в лабораторных условиях. С тех пор скорость света стала одной из наиболее точно установленных постоянных. На сегодняшний день ее точное значение равно 299792458 В± 1,2 м/с. Параллельно с усовершенствованием оптических приборов и оптических измерений был выстроен ряд теоретических предположений относительно природы света.

Некоторые из них описаны в статье Свет, о других будет сказано ниже.Звук. Изучение звука снова возвращает нас в античность, где туманная традиция связывает начало таких исследований с именем Пифагора. Насколько можно судить, философы Древней Греции за 500 лет до н.э. Экспериментально исследовали различия между благозвучными (консонантными) и неблагозвучными (диссонантными) музыкальными интервалами. Они сделали вывод, что если колеблющуюся струну прижимать в различных точках и щипком заставлять колебаться каждую из двух частей струны, то чем "проще" отношение длин двух частей, на которые разделилась струна, тем более благозвучным окажется консонантный интервал издаваемых звуков. Под простыми понимаются отношения 2:1, 3:2, 4:3 и т.д., соответствующие музыкальным интервалам октаве, квинте, кварте и т.д.

Эти интервалы составляли основу всей западной музыкальной гармонии до 13 в., и хотя кварта более не считается гармоническим интервалом, продолжая Пифагоров ряд отношений до 5:4 и 6:5, мы получаем большую и малую терции - фундаментальные интервалы западной музыки последних 500 лет. Что касается физической природы звука, то многое здесь было известно уже Аристотелю. В дошедшем до нас в виде фрагментов трактате Звук и слух (см. Aristotelis opera. Ed. Academia regia borussica, v. 1-5, B, 1831-1870) он приводит подробное и точное описание распространения звуковых волн в воздухе. Римский архитектор Витрувий, знакомый с аристотелевской традицией, посвятил одну из книг своего сочинения Об архитектуре (De architectura) (ок.

10 до н.э.) акустике театров и других зданий, заложив этим основания науки, известной сегодня под названием архитектурной акустики. После Витрувия в развитии акустики наступила пауза, которая продолжалась до 17 в., когда акустическими проблемами занялись Галилей и Ньютон. Галилей исследовал разные источники звука, в частности колеблющиеся струны, и показал, что частота колебаний струны, а следовательно, и частота издаваемого звука определяются ее физическими свойствами - длиной, натяжением и массой. Ньютон поставил перед собой более трудную задачу - описать на языке математики процесс распространения звуковой волны в воздухе. Проведенный им анализ, опиравшийся на известные тогда данные об упругости воздуха, дал теоретическое значение скорости звука 298 м/с, тогда как из опытов Флемстида и Галлея было получено значение 348 м/с.

Столь значительное расхождение удалось объяснить лишь в 1816, когда Лаплас указал на то, что величина упругости воздуха, на основании которой вычисляется скорость звука, должна отличаться от обычно измеряемой, т.к. Изменения в звуковой волне происходят очень быстро и в воздухе не успевает установиться тепловое равновесие. Внеся в вычисления Ньютона поправку в этом единственном пункте, Лаплас получил формулу, прекрасно согласующуюся с самыми точными экспериментальными данными. Сегодня часто ставят обратную задачу. Определяют упругость газа по измеренной скорости звука в нем. Когда механизм возникновения звука и его природа были объяснены на основе фундаментальных законов движения, акустика перестала быть чисто умозрительной дисциплиной, и после Лапласа ее развитие шло по трем направлениям.

Практические потребности (проектирование концертных залов, создание музыкальных инструментов и звуковоспроизводящей аппаратуры), физиологические и психологические аспекты восприятия звука и чистая теория. Второе из названных направлений породило новую область физического познания - область очень интересную и трудную, поскольку в ней изучается субъективный процесс, по сути тот же, посредством которого он сам и исследуется. Здесь физика трудится рука об руку с несколькими другими науками. Основополагающие труды по физиологии слуха и зрения принадлежат Г. Гельмгольцу (1821-1894). Его книги Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа для теории музыки (СПб, 1875) и О зрении (СПб, 1896), по всеобщему признанию, являются научной классикой.

Сущность звука - лишь один из вопросов чистой физики, и ответ на него давно получен. И все же существует мало других разделов физики, разветвленные приложения которых вызывали бы такой всеобщий интерес и, судя по публикациям, доставляли бы такое удовольствие работающим в них исследователям.См. Также Звук И Акустика.Теплота и термодинамика. Еще каких-нибудь сто лет назад господствовало представление о теплоте как о некой калорической жидкости. Считалось, что эта жидкость есть во всех телах, и от того, сколько ее содержится в теле, зависит его температура. В том, что температура тел, находящихся в тепловом контакте, выравнивается, усматривали аналогию с установлением общего уровня жидкости в сообщающихся сосудах.

Теория калорической жидкости в том виде, как ее сформулировал Дж.Блэк (1728-1799), могла объяснить широкий круг явлений. Однако в некоторых пунктах встречались затруднения. Например, хорошо известно, что если нагревать лед, то его температура не повышается до тех пор, пока весь лед не растает. Такое тепло Блэк назвал "скрытым" (термин "скрытая теплота плавления" сохранился поныне), имея в виду, что при таянии льда теплота как-то переходит в частицы воды, не производя обычного эффекта. Вода вмещает большое количество скрытой теплоты, и когда Б.Румфорд (1753-1814) показал, что вес льда при таянии остается неизменным, было решено, что калорическая жидкость невесома. В другом опыте, проведенном в Мюнхенском арсенале на станке, на котором рассверливали стволы пушек, Румфорду удалось добиться выделения огромного количества тепла при небольшом количестве металлической стружки.

Для этого он в течение двух с половиной часов сверлил болванку тупым сверлом. Румфорд счел, что его опыт убедительно доказал несостоятельность теории калорической жидкости, но ее сторонники возразили, что в материи очень много калорической жидкости и даже при сверлении тупым сверлом высвобождается только малая ее часть. Калорическая теория, подлатанная таким образом, просуществовала примерно до 1850. Однако еще Демокрит более чем за 2000 лет до этого выдвигал другую гипотезу. Если материя состоит из крохотных частиц, то отличие твердого тела от жидкости определяется разной силой их сцепления. Если принять, что вначале при нагревании частицы твердого тела начинают просто сильнее колебаться, оставаясь на своих местах, то разумно предположить, что при нагревании выше определенной температуры частицы будут срываться со своих мест, образуя жидкость, а при дальнейшем нагревании произойдет следующее превращение - жидкость станет газом.

Галилей высказал аналогичную идею в 1623, а Декарт писал в 1644, что "под теплом и холодом следует понимать не что иное, как ускорение и замедление материальных частиц". Ньютон, расходившийся с теорией Декарта почти по всем вопросам, в этом пункте был с ней согласен. Хорошо известно, что движение тел при наличии трения порождает тепло и, наоборот, тепло может порождать движение, как это происходит в паровой машине и в двигателе внутреннего сгорания. Возникает вопрос. Сколько работы может совершить тепловая машина, если подвести к ней заданное количество тепла. Ответить на этот вопрос весьма трудно, и в его рассмотрении необходимо выделить два этапа. Первое положение, которое мы должны отметить, - то, что совершение тепловой машиной некоторой работы сопровождается исчезновением определенного количества тепла.

Говоря о механической работе, совершаемой машиной, пионер в этой области французский физик Н.Карно (1796-1832) употреблял термин "движущая сила". В записной книжке, обнаруженной после смерти Карно в 1878, говорилось. "Тепло может быть колебательным движением частиц. Если это так, то количество тепла есть не что иное, как механическая энергия, затраченная на приведение частиц в колебательное движение . Таким образом, можно сформулировать общий принцип, согласно которому количество движущей силы в природе неизменно. Точнее говоря, она не создается и не исчезает". Этот принцип имеет для физики огромное значение. Он называется законом сохранения энергии, а в контексте данного раздела - первым началом термодинамики.

Слово "энергия", введенное в научный оборот Т.Юнгом в 1807, здесь имеет смысл "полного количества энергии", которое остается постоянным и включает в себя тепловую, кинетическую и все прочие формы энергии, которые встретятся нам в дальнейшем. Не стремясь к особой строгости, можно определить энергию как способность совершать работу, а ее мерой, какую бы форму ни принимала энергия, можно считать количество механической работы, которой энергия эквивалентна. Карно удалось найти численное выражение эквивалентности тепла и работы. В современных единицах полученный им результат таков. 3,7 джоуля эквивалентно 1 калории (более точное значение равно 4,19). То же самое открытие было сделано врачом Ю. Майером (1814-1878), заметившим изменения в интенсивности обмена веществ (как мы сказали бы это сейчас) у моряков, совершавших плавание в экваториальных водах.

В 1842 Майер пришел к заключению, что механический эквивалент одной калории равен 3,85 джоуля, но его главной заслугой было глубокое интуитивное уяснение важности и универсальности нового принципа, позволившее ему применять закон сохранения энергии в столь разных областях, как физиология, небесная механика и теория приливов. Однако самый существенный вклад в развитие принципа сохранения энергии внес Дж.Джоуль (1818-1889). В 1843-1848 он провел серию опытов по изучению взаимных превращений электрической, тепловой, механической и внутренней энергии и на основании полученных данных заключил, что механический эквивалент тепла составляет от 4,25 до 4,60. Тщательные измерения Джоуля вооружили противников теории калорической жидкости многочисленными весомыми аргументами, и эта теория оказалась окончательно опровергнутой.

Тепло как вид энергии может возникать и исчезать, но при этом общее количество энергии в мире остается неизменным. Для установления первого начала термодинамики потребовалось столь много времени потому, что существует еще один принцип, ограничивающий величину работы, которую можно совершить при данном количестве тепла. Этот принцип тоже был открыт Карно и изложен им в тоненькой брошюрке Рассуждения о движущей силе огня (Reflexions sur la puissance motrice de feu, 1824). В ней Карно показал, что если тепло подводится к машине при температуре T1, а отводится - при температуре T2 (это могут быть температуры, при которых водяной пар поступает в паровую машину и отводится от нее), то существует некий максимум работы, которую может совершить машина при данном количестве тепла.

Этот максимум всегда меньше полного количества тепла и определяется только величинами T1 и T2, независимо от того, какое вещество переносит тепло. Из закона сохранения энергии следует, что часть тепла, подводимого к машине, уходит с отработавшим теплоносителем, оставаясь неиспользованным. Чем ниже температура теплоносителя, тем труднее использовать его энергию на совершение работы. В килограмме воды при комнатной температуре больше тепловой энергии, чем в 10 г пара, но энергию последнего значительно легче извлечь. Таким образом, в результате любого превращения энергии в работу с теплоносителем уходит какое-то количество менее "полезной" энергии, и никакой компенсирующий процесс не может увеличить ее "полезность".

В математической форме это положение выразил Р.Клаузиус (1822-1888), введя величину, которую он назвал энтропией и которая является мерой "бесполезности" (с точки зрения совершения работы) энергии. Любой процесс, в результате которого тепло превращается в работу, сопровождается повышением энтропии окружающей среды. Было установлено, что любая попытка уменьшить энтропию приводит к еще большему ее увеличению где-нибудь в другом месте. Ныне этот принцип называется вторым началом термодинамики. Содержание всей своей работы Клаузиус сформулировал в виде двустрочия, помещенного в конце статьи:Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремится к максимуму.Этот максимум отвечает состоянию, в котором вся материя будет иметь одну и ту же температуру и нигде не будет "полезной" энергии.

Но уже задолго до того, как будет достигнуто такое состояние, жизнь станет невозможна. Пессимистический интеллектуальный климат конца 19 в. Во многом связан с открытием этих двух абсолютных ограничений для будущего человечества.Молекулярно-кинетическая теория. Развитая в трудах Клаузиуса, Кельвина (1824-1907) и их последователей наука термодинамика преуспела в установлении связей между множеством различных физических и химических явлений на основе первого и второго начал термодинамики, однако существуют пределы, за которыми столь общие утверждения уже не в силах объяснить происходящее. Необходимо было выяснить, каковы размеры частиц вещества и как они движутся. Не зная этого, невозможно, например, предсказать, при какой температуре будет плавиться данное твердое вещество, каковы его скрытая теплота плавления и электрические свойства.

В общую схему термодинамики необходимо было включить законы, которым подчиняется движение отдельных молекул. Проблема, с которой столкнулись здесь ученые, была несравненно более трудной, чем ранее. Молекулы слишком малы, чтобы их можно было наблюдать непосредственно, и выводы можно делать, опираясь только на коллективные свойства систем, состоящих из миллиардов частиц. Первый шаг в создании молекулярно-кинетической теории сделал Д.Бернулли в своей книге по гидродинамике (Hydrodynamica sive de viribus et motibus fluidorum commentarii, 1738). Бернулли принял, что газ состоит из чрезвычайно малых частиц, которые движутся быстро и свободно, если не считать столкновений. Эти частицы осыпают стенки сосуда ударами.

Каждый такой удар слишком слаб, чтобы его можно было ощутить, но огромное число ударов проявляется как постоянное давление. Затем путем рассуждений, неявно опирающихся на законы Ньютона, Бернулли пришел к выводу, что если медленно сжать газ, не изменяя скоростей движения частиц, то давление повысится, так что произведение давления на объем останется постоянным. Именно это соотношение для газа, сжимаемого при постоянной температуре, экспериментально открыл Р.Бойль в 1660. Бернулли указал также, что нагревание газа должно приводить к увеличению скорости частиц, а тем самым - к повышению давления вследствие увеличения числа и силы ударов частиц о стенки сосуда. Десятью годами позднее аналогичные идеи были высказаны русским ученым М.В.Ломоносовым, который дополнительно указал на то, что если верхнего предела для скоростей молекул газа, а следовательно, и для температуры в принципе не существует, то нижний предел - нулевая скорость - существует всегда, следовательно, должен существовать нижний предел температуры, ниже которого ничего нельзя охладить.

Ныне этот предел называют абсолютным нулем. Примечательно, что эти соображения обратили на себя внимание лишь 120 лет спустя, а потому ощутимого влияния на становление молекулярно-кинетической теории практически не оказали. Вместо этого физики и математики на протяжении столетия боролись с ложным представлением Ньютона о взаимном отталкивании всех атомов. Здесь нужно упомянуть одну из самых малоизвестных в истории науки фигур - Дж.Уотерсона (1811-1883). Инженер и учитель, Уотерсон опубликовал в 1843 довольно неясно написанную книгу, прочитанную лишь немногими, в которой изложил некоторые соображения о свойствах газа, состоящего из быстро движущихся молекул. В 1845 он представил в Королевское общество подробную статью, которая, однако, была отвергнута как непригодная для публикации.

По мнению одного из рецензентов, статья Уотерсона - "нонсенс, неприемлемый даже для публичного прочтения". Впоследствии Уотерсону удалось все же опубликовать некоторые из своих работ, но они остались без внимания. Уотерсон прожил довольно долго и стал свидетелем того, как другие удостоивались похвал и признания за открытия, которые гораздо раньше сделал он сам. И все же он не дожил до того времени, когда к тем же выводам пришел Дж.Рэлей в 1891, отдавший должное его трудам. В 1856 к идеям Бернулли ученые вернулись снова. А.Крониг (1822-1879), годом позже Клаузиус и в 1860 Дж.Максвелл (1831-1879), великолепно владевший математическим аппаратом, на основе законов Ньютона предприняли систематический анализ газа из частиц, слишком малых, чтобы их можно было видеть, и взаимодействующих при участии сил, зависимость которых от расстояния могла быть задана лишь в самом общем виде.

Так была заложена основа кинетической теории газов, или молекулярно-кинетической теории (в вопрос о природе молекул и их от.