Книга В Бретани онлайн - страница 10

4. Термодинамика

Нельзя закончить этот краткий очерк истории развития классической физики, не сказав несколько слов о науке, которая целиком была создана учеными XIX в., о термодинамике.

В XVIII в. теплота представлялась в виде некоторой жидкости, общее количество которой остается в течение различных физических процессов неизменным. Для объяснения целого ряда явлений, и в особенности явления распространения тепла в материальных телах, эта гипотеза оказывалась вполне удовлетворительной. Изящная и классическая теория распространения тепла в пространстве, созданная Фурье, исходит из соотношения, которое выражает «закон сохранения теплоты». Но многочисленные явления, в которых теплота возникает в результате трения, с большим трудом объяснялись в рамках этой гипотезы, и мало-помалу физики от нее отказались и стали рассматривать теплоту не как некую вечную субстанцию, а просто как одну из форм энергии. Действительно, во всех происходящих вокруг нас чисто механических явлениях энергия сохраняется всегда, за исключением тех случаев, когда в результате трения происходит выделение тепла. Если рассматривать теплоту как одну из форм энергии, то можно выдвинуть некий общий принцип сохранения энергии. Мы не будем рассказывать здесь о том, как развивался этот принцип и как он был подтвержден измерениями механического эквивалента теплоты. Но, как известно, одного принципа сохранения энергии еще недостаточно для построения термодинамики. К нему необходимо добавить еще принцип Карно, или принцип возрастания энтропии. Впервые этот принцип был выдвинут в 1824 г. Сади Карно в заметках о тепловых машинах, где он указал на невозможность полного превращения тепла в работу. Эти соображения Карно легли в основу высказанного несколькими годами позже принципа, который остается справедливым и по настоящий день. Чтобы придать ему математическую форму, Клаузиус ввел понятие энтропии и показал, что энтропия изолированной системы может только возрастать.

На основе этих двух фундаментальных принципов была построена термодинамика – наука, позволившая объяснить и предсказать большое число явлений и играющая существенную роль в настоящее время, особенно в теории газов. Это абстрактная наука, оперирующая основном понятиями энергии, заключенной в телах, количествами совершаемой ими работы и тепла, которым они обмениваются. Она не пытается вникать в детальное описание элементарных процессов, а интересуется лишь общими характеристиками систем. Термодинамика оставляет чрезвычайно большую свободу для различных описаний элементарных процессов и устанавливает лишь общие закономерности, которым должны удовлетворять эти описания. Таким образом, не только классическая атомная физика, не учитывающая существования квантов, но и квантовая физика, базирующаяся на принципиально отличных концепциях, строятся в соответствии с законами термодинамики. С точки зрения конструктивного развития современных теорий термодинамика может в каком-то смысле играть направляющую роль, ограничивая число приемлемых гипотез, но не указывая, конечно, тот или иной определенный путь развития. Точнее, поскольку термодинамика рассматривает лишь общие свойства систем, не вдаваясь в детали отдельных процессов, она не рискует впасть в ошибки, что часто угрожает более «смелым» теориям, претендующим на детальное описание процесса. И сорок лет назад, по мнению многих физиков, считалось предпочтительным использовать термодинамические методы, не вводя более детальных и более смелых концепций. Этот осторожный метод был назван энергетическим. Но если осторожность – мать безопасности, то судьба улыбается лишь отважным. И тогда как приверженцы энергетического метода топтались на одном месте, хотя и на твердой почве, сторонники более детального описания элементарных явлений, развивая атомистические и корпускулярные концепции, открывали новые неизведанные области.

Эти концепции получили столь многочисленные экспериментальные подтверждения и привели к открытию такого большого числа новых соотношений, о существовании которых «энергетика» не могла даже подозревать, что в Настоящее время старая «энергетическая» тактика уже давно оставлена.

Чтобы проследить путь развития классической физики, необходимо рассмотреть новый мир атомов и частиц.

Глава III. Атомы и частицы

1. Атомная структура материи

Хорошо известно, что древние мыслители неоднократно высказывали предположение о дискретной природе материи. Они пришли к этому, исходя из философской идеи о том, что невозможно осознать бесконечную делимость материи и при рассмотрении все более мелких количеств необходимо где-то остановиться. Для них атом был последней неделимой частью материи, после которой уже нечего было искать. Современная физика также исходит из представления об атомной структуре материи, но с ее точки зрения атом представляет собой нечто совершенно отличное от того, что понимали под этим словом древние мыслители. По современным представлениям, атом, будучи составной частью вещества, имеет весьма сложную структуру. Действительными же атомами в смысле древних являются, с точки зрения новейшей физики, так называемые элементарные частицы, например электроны, которые рассматриваются сегодня (может быть, временно) как последние неделимые составляющие атомов и, следовательно, материи.

Понятие атома было введено в современную науку, как известно, химиками. Изучение химических свойств различных тел привело ученых-химиков к мысли, что все вещества подразделяются на два класса: к одному из них относятся сложные или составные вещества, которые путем соответствующих операций могут быть разложены на более простые вещества, к другому – более простые вещества, которые уже невозможно разложить на составные части. Эти простые вещества часто называют также элементами. Изучение количественных законов образования сложных веществ из простых постепенно привело химиков последнего столетия к созданию теории, согласно которой все простейшие вещества, или элементы, состоят из мельчайших совершенно одинаковых частиц, называемых атомами соответствующего элемента, а сложные вещества образованы из молекул, представляющих собой соединение атомов различных элементов. В соответствии с этой теорией разложение сложных веществ на составляющие их элементы состоит в разрушении связей, объединяющих различные атомы в молекулы, и разделении веществ на составные части. Все элементы, включая и недавно открытые, теперь хорошо известны. Число их составляет в настоящее время 89. Однако, как мы скоро увидим, список этих элементов может быть дополнен, по крайней мере, до 92 (в настоящее время известно 104 элемента. – Прим. ред.). Таким образом, все материальные тела состоят из атомов, по крайней мере, 92 различных видов.

Атомная гипотеза оказалась очень плодотворной не только для объяснения основных химических явлений, но и для построения новых физических теорий. В самом деле, если все вещества действительно состоят из атомов, то многие их физические свойства, можно предсказать, исходя из представления об их атомной структуре. Например, хорошо известные свойства газа следовало бы объяснять, представляя газ как совокупность чрезвычайно большого числа атомов или молекул, находящихся в состоянии быстрого непрерывного движения. Давление газа на стенки содержащего его сосуда должно быть вызвано ударами атомов или молекул о стенки, температура его должна быть связана со средней скоростью движения частиц, которая возрастает с увеличением температуры газа. Основанная на подобных представлениях теория, получившая название кинетической теории газов, позволила вывести теоретически основные законы, которым подчиняются газы и которые уже были получены ранее экспериментальным путем. Более того, если предположение об атомном строении веществ соответствует действительности, то из этого следует, что для объяснения свойств твердых тел и жидкостей необходимо допустить, что в этих физических состояниях атомы или молекулы, из которых состоит вещество, должны находиться на гораздо меньших расстояниях друг от друга и быть гораздо сильнее связанными между собой, чем в газообразном состоянии. Большая величина сил взаимодействия между чрезвычайно близко расположенными атомами или молекулами, которую необходимо допустить, должна объяснить упругость, не сжимаемость и некоторые другие свойства, характеризующие твердые и жидкие тела. Возникшие и разработанные на этой основе теории встретили на своем пути целый ряд трудностей (большая часть которых была устранена с возникновением квантовой теории). Однако полученные в этой теории результаты были достаточно удовлетворительными, чтобы считать, что она развивается по правильному пути.

Несмотря на то, что гипотеза об атомном строении вещества для некоторых физических теорий оказалась весьма плодотворной, для окончательного ее подтверждения было необходимо произвести более или менее прямой эксперимент, подтверждающий атомную структуру материи. И эта большая экспериментальная работа, занявшая около тридцати лет, была проделана физиками, из которых в первую очередь надо отметить Перрена и его опыты, ставшие классическими.

Невозможно непосредственно заметить движение атомов или молекул. Но то, что оно существует, установить возможно. Выражается это в перемещении под действием непрерывных соударений некоторой частицы макроскопических размеров, взвешенной в газе или жидкости. Изучение перемещения такой частицы сравнительно больших размеров, известного под названием броуновского движения, позволило Перрену оценить число молекул, содержащихся в одной грамм-молекуле какого-либо газа, находящегося при нормальной температуре и давлении. По классическому закону Авогадро известно, что это число одинаково для всех газов. Оно носит название числа Авогадро. Эксперименты Перрена показали, что его значение заключено в пределах 6·1023…7·1023. Все последующие опыты блестяще подтвердили эту оценку. Большое число других, более косвенных опытов также позволяет определить значение числа Авогадро. Эти методы основаны на изучении самых различных явлений: спектрального распределения энергии излучения при термодинамическом равновесии, диффузии света в газах, излучения радиоактивных веществ. Полученные разными путями значения числа Авогадро, а также вычисляемые с его помощью значения некоторых атомных констант (например, массы атома водорода) находятся в столь блестящем соответствии между собой, что не позволяют сомневаться в справедливости гипотезы об атомном строении материи.

Итак, существование атомов, принимаемое химиками, было экспериментально доказано физиками. Остается посмотреть, как этот факт был использован теоретиками.