Концепции современного естествознания

Разбирая динамику газов, Кельвин вывел определение, что количество теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение газом внешней работы, то есть Q = dU + A, а для бесконечно малых изменений dQ = dU + dA. В физике первое начало термодинамики получило название закона сохранения энергии. Согласно этому закону была навсегда похоронена популярная в XIX в. идея создания вечного двигателя, поскольку без источника питания совершение работы невозможно.

В своих исследованиях Майер выявил 25 случаев превращения работы в тепло: механическая работа, электричество, химическая «сила» вещества, теплота, электричество и т. д. Распространив закон сохранения энергии и на биологические системы, к превращению энергии в живых организмах он отнес поглощение пищи, химические процессы в организме, тепловые и механические эффекты. Закон сохранения энергии был применен Гессом для объяснения химических реакций, а в результате деятельности Фарадея, Ленца и Джоуля был сформулирован так называемый закон Джоуля—Ленца о связи электрической и тепловой энергии, выражающийся формулой: Q = I² · R · t.

Благодаря постоянной полувековой работе по изучению термодинамики был определен ее ведущий принцип, который коротко можно сформулировать следующим образом: энергия не появляется ниоткуда и не исчезает бесследно, ее количество в природе постоянно и может только перераспределяться и превращаться из одного вида в другой.

Первичная формулировка второго начала термодинамики принадлежит Фурье и выглядит следующим образом: количество теплоты, которое переносится в единицу времени через единицу площади поверхности вдоль какого-либо направления, прямо пропорционально величине изменения температуры вдоль этого направления.

Явление переноса теплоты получило название теплопроводности. Характерной особенностью теплопроводности является равномерное распределение тепла по всему объекту, передача тепла из нагретых областей до тех пор, пока система не придет в равновесие. Процесс передачи тепла зависит от времени и необратим (то есть идет в одну сторону и не может быть повернут вспять). Необратимость теплопроводности экспериментальным путем установил Карно, описав действие паровой машины.

В физику открытые Карно закономерности вошли под названием идеального цикла Карно. Ученый, рассматривая работу паровой машины, заметил, что горячий пар после выхода из поршня оказывается в воздухе с меньшей температурой, превращается в конденсат и далее выводится из цикла. Ему показалось расточительным такое использование пара, и Карно решил создать паровую машину полного цикла, когда пар не выводится из обращения, а вновь поступает в котел, нагревается, приводит в движение поршень и т. д. Но для реализации идеи оказалось необходимым выполнить два условия: иметь возможность нагреть пар и иметь возможность достаточно его охладить. Процесс нагрева получил название изотермического, процесс охлаждения – адиабатического.

В полном цикле два изотермических и два адиабатических процесса: нагреватель поднимает температуру газа, газ расширяется, передает тепло охладителю и газ сжимается. Теплота (Q₁ – Q₂) будет равна совершенной работе А.

Коэффициент полезного действия цикла Карно примет вид: КПД = A₁/Q₁ = (Q₁ – Q₂)/Q₁ или (после приведения): КПД = (Q₁ – Q₂)/Q₁ = 1 – Q₂/Q₁ = 1 – T₂/T₁ = (T₁ – T₂)/T₁. Это означает: процесс не зависит ни от количества используемого газа, ни от начальных значений давления или объема, а только от температуры нагревателя и температуры охладителя. Карно доказал, что создание тепловой машины без охладителя, но с КПД в 100 % в принципе невозможно.

Термодинамика ввела в физику понятие энтропии (в переводе с греческого – «превращение»). Под энтропией в физике понимается некоторая величина S, которая, подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Давший ей наименование Клаузиус считал, что когда к газу подводится теплота dQ, то S возрастает на величину dS = dQ /Т. Исходя из расчетов Карно, известно, что dQ₁ /Т₁ + dQ₂/Т₂ = 0, где dQ₁ – полученное тепло, а dQ₂ – отданное тепло.

Появление понятия энтропии позволило разделить теплоту и температуру (до середины XIX в. разницы между ними не делали). Теплота стала мерой изменения энергии, а энтропия – показателем состояния системы. Энтропия определяет изменение системы между началом процесса и конечным результатом, то есть является функцией состояния системы и не связана с характером происходящего процесса.

Для обратимых процессов в изолированной системе энтропия является постоянной величиной, для необратимых процессов характерна неравномерность температуры в разных стадиях процесса, поэтому тепло будет распространяться от горячих участков к более холодным, а это приведет к возрастанию энтропии dS > 0.

Введение понятия энтропии позволило определить направление природных процессов и доказало, что эти процессы как происходящие в изолированной системе могут идти только в одном направлении – то есть возможна передача тепла лишь от горячих тел к более холодным. Исходя из такого понимания энтропии, существует несколько формулировок второго начала термодинамики:

1. В природе невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход от менее нагретого состояния к более нагретому.

2. КПД любой тепловой машины всегда < 100 %.

3. Энтропия изолированной системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна. При протекании обратимых процессов – постоянна, а при необратимых процессах возрастает.

После открытия энтропии и вывода соответствующих формул стало абсолютно ясно, что невозможно построить паровую машину со стопроцентным КПД, если она работает за счет одного нагревателя, а не за счет перепада теплоты (то есть при использовании нагревателя и охладителя). На этом надежды построить вечный тепловой двигатель рухнули.

Выведение принципа энтропии изолированной системы (энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна, при протекании обратимых процессов – постоянна, а при необратимых процессах возрастает) привлекло внимание ученых к процессам, происходящим на микро– и макроуровнях. Оказалось, что суть процессов зависит от того, в какой системе мы их рассматриваем.

Исходя из особенностей нашего восприятия, к процессам микроуровня относятся те, которые происходят на молекулярном уровне, к процессам макроуровня относятся процессы в телах, соразмерных человеку. Соответственно, макросостояние определяется макропараметрами (давление, температура, объем и т. п.), которые измеряются макроприборами. Микросостояние касается состояния молекул, входящих в состав макротела. Термодинамика занимается процессами на макроуровне, то есть макросостоянием системы.

Молекулярно-кинетическая теория занимается процессами, происходящими в макротелах на микроуровне, то есть микросостояниями макротел. Выявив в макромире понятие энтропии, ученые обратились с макроуровня на микроуровень, чтобы понять, распространяются ли законы макромира на микромир.

В результате экспериментов Больцмана с мечеными молекулами в разделенном на две половины сосуде было выяснено, что вероятность нахождения N меченых молекул в одной половине сосуда определяется согласно формуле как W = (1/2) · N, вероятность же нахождения N меченых молекул во всем сосуде, естественно, равна 1.

Для вероятности определенного состояния системы статистическая физика ввела понятие статистического веса, то есть числа способов, которыми данное состояние может быть реализовано. Для микросистемы характерно стремление перехода из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью, от изолированной структуры – к полной равновесности.

При наличии в системе двух подсистем W₁ и W₂, статистический вес всей системы примет значение W = W₁· W₂, а общая энтропия – значение суммы энтропий подсистем S = S₁ + S₂. Выразив статистический вес системы через логарифм, Больцман вывел формулу: LnW = S₁ + S₂, которую усовершенствовал Планк: S = k · LnW, где k – коэффициент пропорциональности, или так называемая постоянная Больцмана.

Исследования Больцмана положили начало работам с так называемыми большими системами, то есть системами микроуровня, которые настолько малы и присутствуют в таком количестве, что не могут быть полностью сосчитаны и учтены. В микромире невозможно также вести наблюдение за одной избранной молекулой (а позже – частицей), поскольку невозможно отличить одну молекулу или частицу от другой.

Максвелл, пытаясь определить параметры, позволяющие как-то классифицировать молекулы, нашел два: распределение молекул по скоростям и энергии. Он же для описания случайного поведения молекул газа ввел понятие вероятности, вероятностный (статистический закон) и сформулировал закон распределения молекул по скоростям. Больцман доказал, что второй закон термодинамики является следствием статистических законов поведения частиц в больших системах.

Если в классической механике, принимая частицу за математическую точку, возможно было рассчитать ее поведение для прошлого, настоящего и будущего, то в больших системах законы классической механики оказывались неприложимыми. В термодинамике и статистической физике на место классических законов динамики встали статистические законы, которые неспособны дать точное описание состояния определенной частицы, а могут описать предположительное состояние одной из возможных частиц; точность в таких системах заменяется вероятностью. В классической физике вероятность подразумевает неточность, воспринимается как ошибка или недостаток, результат всегда определенный и может быть сосчитан.

В статистической физике результат предположителен и для отдельной частицы представляет ряд возможностей. Процессы в термодинамических системах необратимы и вероятностны, поэтому они не могут быть полностью управляемыми.

Главным отличием законов макро– и микромира является, по мнению Максвелла, то, что в системах с малым количеством объектов следствием статистических законов должно стать нарушение второго начала термодинамики. То есть законы термодинамики неприменимы для классической физики. В то же время законы статистической физики и теории вероятности оказались приложимыми к биологическим системам как одной из разновидностей больших систем: ученые ввели понятие случайности для описания передачи признаков при естественном отборе, спонтанных мутациях и т. д.

Электромагнитная картина мира

Электромагнитная картина мира начала формироваться в XVIII в. До этого времени человечеству были известны простейшие электрические и магнитные явления. В XVIII в. было установлено, что одноименные электрические заряды отталкиваются, ученые изобрели электроскоп, Франклин, Ломоносов и Рихман доказали электрическую природу молний и изобрели молниеотвод (громоотвод), а Симмер предположил, что в любом теле содержится равное количество разноименных электрических зарядов, которые перераспределяются при электризации.

К началу XX в. было известно, что сам электрический заряд состоит из множества более мелких зарядов, и открыта первая элементарная частица – отрицательно заряженный электрон. На протяжении XVIII–XIX вв. в ходе экспериментов были открыты основные законы электромагнитных явлений:

– закон сохранения электрического заряда (в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная, а величина заряда не зависит от его скорости);

– закон Кулона и законы Ома (о зависимости силы тока и сопротивления проводника в зависимости от его сечения);

– закон Джоуля—Ленца (о количестве тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за определенное время);

– закон электромагнитной индукции Фарадея (изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению электромагнитной индукции).

В физике на основе исследований Фарадея было введено понятие электростатического поля, открытия Эрстеда доказали связь электричества и магнетизма и выявили особенность устройства магнитного поля – его вихревую природу. В 1820 г. благодаря Амперу в физике появился новый раздел – электродинамика. Примерно в это же время Фарадей высказал идею существования электромагнитных волн и отнес свет к электромагнитным явлениям.

В 1865 г. физик Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Сутью теории Максвелла была система из четырех уравнений, получивших название уравнений Максвелла. Каждое уравнение соответствовало одному из четырех утверждений:

1. Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона.

2. Магнитные заряды не существуют.

3. Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток.

4. Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями.

Приведенные Максвеллом уравнения доказывали существование электромагнитного поля, объясняли, как формируется электрическое поле на основе вихревого магнитного поля и как электрическое поле, в свою очередь, создает и поддерживает магнитное поле; в силу перехода поле, описанное Максвеллом, было электромагнитным, система мироустройства – электродинамической, а рождающаяся на основе новых открытий и обоснованной теории Максвелла картина мира – электромагнитной картиной мира.

На основе своих уравнений Максвелл пришел к мысли о существовании электромагнитных волн, скорость которых должна быть равна скорости света. Вслед за Фарадеем он отнес свет к электромагнитным волнам. К характеристикам электромагнитной волны он отнес ее способность оказывать давление на поставленную перед волной преграду, что позже позволило опытным путем доказать существование этой характеристики. Максвелл предположил, что атом, который физика считала неделимым, состоит из множества элементарных частиц (позже был открыт электрон). Теорию Максвелла принято называть началом конца классической физики. Следом за теорией Максвелла появились электронная теория Лоренца и знаменитая теория относительности Эйнштейна.

Исследования Лоренца были направлены на изучение структуры вещества, разложении его на мельчайшие составляющие. Лоренц первым высказал предположение о существовании крайне малых электрически заряженных частиц – электронов – которые имеются в любом материальном теле.

Свою точку зрения на структуру вещества Лоренц обнародовал в 1865 г. В своей электронной теории Лоренц использовал теорию Максвелла и общепринятые положения о дискретности электрических зарядов, то есть их атомарную составляющую. Теория Лоренца, не имевшая прежде экспериментального подтверждения, блестяще подтвердилась в 1897 г., когда был обнаружен электрон. На общих основаниях электронной теории Лоренц совместно с физиком Друде создал также электронную теорию металлов, основными положениями которой являются следующие:

1. Свободные электроны (электроны проводимости) образуют в металлах электронный газ.

2. Основой структуры металла является кристаллическая решетка, в узлах которой расположены ионы.

3. В электрическом поле действие сил поля превращает беспорядочное движение электронов в упорядоченное.

4. Электрическое сопротивление объясняется тем, что при движении электроны сталкиваются с ионами решетки.

Новая теория хорошо объясняла и давала количественные описания для многих явлений, но некоторые (например, зависимость сопротивления металлов от температуры, нестабильная величина отношения заряда к его массе и т. п.) объяснить не могла. В первые десятилетия XX в. новые открытия подтвердили, что законы классической механики и законы идеальных газов не работают для сверхмалых элементарных частиц, в том числе и для электронов.

К началу XX в. остро встал вопрос о системах отсчета, избираемых для проведения вычислений и объяснения экспериментальных данных, получивших название инерциальных систем. Галилей разделил частные характеристики объектов на инвариантные (неизменные) и вариантные (изменяющиеся).

К инвариантным (то есть остающимся постоянными в любой системе отсчета) он отнес время, массу, ускорение, силу. К вариантным (то есть изменяющимся при переходе из одной системы отсчета в другую) он отнес координаты, скорость, импульс, кинетическую энергию. Свои выводы он обосновал системой преобразований и закрепил в сформулированном им механическом принципе относительности, или принципе относительности Галилея. Этот принцип был основательно поколеблен при изучении поведения молекул в больших системах.

Но еще большие сомнения в истинности данного принципа возникли после исследований свойств и природы света и законов его распространения. На XIX в. приходится открытие физического вакуума. Исследуя скорость распространения света в вакууме, выявили, что эта скорость является постоянной (с ≈ 3 · 10⁸ м/с) и во всех системах отсчета независимо от величины и направления скорости их движения остается такой же, как и в системе отсчета, связанной с источником света.

Сразу же возникли сомнения в: 1) чистоте экспериментов; 2) применимости законов классической механики и, в частности, принципа относительности Галилея к явлениям электромагнитной природы; 3) определении верной системы отсчета.

Возник вопрос и о среде, в которой распространяется свет. Считалось, что такой средой является эфир. Возникли идеи, что эфир является абсолютной средой, идеальной средой для распространения света. Выдвигалось множество теорий по поводу эфира, проводились разного рода эксперименты, которые ничего не объяснили и ничего не доказали. Кроме одного: классическая механика объяснить эксперименты со светом по принципу относительности Галилея не может. Но поскольку этот принцип работает для макромира, то для мира элементарных частиц или космического пространства требуется, скорее всего, другой принцип.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн создал специальную теорию относительности. Новая теория пространства и времени опиралась на экспериментальные данные и была разработана для объяснения противоречий, которые не могли быть разрешены в рамках классической механики. В основу специальной теории относительности легли два принципа Эйнштейна:

1. Принцип относительности, который распространил действие принципа относительности Галилея на любые физические явления и формулировался следующим образом: все физические процессы при одних и тех же условиях в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Принцип относительности Эйнштейна указывал, что ни один эксперимент внутри конкретной системы отсчета не сможет доказать, в каком состоянии находится сама система отсчета – покоится или движется равномерно и прямолинейно, и поэтому все системы отсчета равноправны, физические законы в них инвариантны, а математическое выражение законов имеет одинаковую форму.

2. Принцип постоянства скорости света, который гласит, что скорость света в вакууме постоянна, не зависит от движения источника и приемника света, одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Эйнштейн доказал, что скорость света в вакууме является предельной скоростью, возможной в природе, и объявил ее важнейшей физической постоянной, мировой константой. С этим постулатом Эйнштейна согласились не все, и до сих пор существуют попытки опровергнуть его истинность.