Чтение онлайн

Второй составляющей классической физики является термодинамика, которая описывает тепловые явления в макромире. Теплота рассматривается как род внутреннего движения частиц: чем быстрее движение частиц, тем выше температура тела. Теорию тепла называли корпускулярной (от слова «корпускула» – частица), поскольку в ее основе лежало представление об атомистическом строении вещества. С корпускулярной теорией конкурировала теория теплорода, согласно которой тепловые процессы происходят благодаря невесомой жидкости, которая находится в «порах» материальных тел и может перетекать от одного объекта к другому. Чем больше в теле теплорода, тем выше его температура. Благодаря теории теплорода в физике появились понятия теплоемкости и теплопроводности тел, однако сама эта теория вскоре была опровергнута. В середине XIX в. было доказано, что количество выделяемой телом теплоты не зависит от объема вещества, т. е. из ограниченного количества вещества можно получить неограниченное количество теплоты, следовательно, нагревание тела связано не с увеличением в нем теплорода, а с увеличением энергии. Оказалось, что теплота и есть мера изменения энергии. В конце XIX в. молекулярно-кинетическая теория окончательно утвердилась не только в физике, но и в химии (2.4). Основные положения этой теории гласят: любое вещество состоит из большого числа молекул, молекулы вещества находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, скорость движения молекул зависит от температуры тела, между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания.

Классическая термодинамика сформулировала несколько принципов, или начал, которые вели к важным мировоззренческим выводам. Первое начало термодинамики основано на представлениях о том, что термодинамическая система обладает внутренней энергией теплового движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия.

При всех превращениях в термодинамической системе выполняется универсальный закон сохранения энергии. Согласно первому началу термодинамики количество теплоты, сообщенное телу, увеличивает его внутреннюю энергию и идет на совершение телом работы. Из этого принципа вытекает невозможность существования вечного двигателя.

Согласно второму началу термодинамики нельзя осуществить работу за счет энергии тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, энтропия замкнутой системы возрастает, а ее максимальное значение достигается в состоянии теплового равновесия. Термодинамические процессы необратимы, а предоставленная самой себе система стремится к состоянию теплового равновесия, в котором температуры тел выравниваются. В системе, достигшей термодинамического равновесия, без внешнего вмешательства невозможны никакие процессы. Второе начало термодинамики часто формулируют иначе: тепло не может самопроизвольно перейти от холодного тела к горячему. Второе начало термодинамики называют также законом возрастания энтропии.

Распространение второго начала термодинамики на всю Вселенную, понимаемую как закрытая система, привело к созданию теории тепловой смерти, согласно которой все процессы в мире ведут к состоянию наибольшего равновесия, т. е. хаосу. Теория тепловой смерти Вселенной была разработана в середине XIX в. В. Томпсоном и Р. Клаузиусом, ее постулаты звучат следующим образом:

•энергия Вселенной постоянна;

• энтропия Вселенной, понимаемой как закрытая система, возрастает.

Смысл этих постулатов заключается в том, что со временем все виды энергии во Вселенной превратятся в тепловую, а последняя перестанет претерпевать качественные изменения и преобразовываться в другие формы. Наступившее состояние теплового равновесия будет означать смерть Вселенной. При этом общее количество энергии в мире останется тем же самым, т. е. универсальный закон сохранения энергии не будет нарушен. С точки зрения авторов теории тепловой смерти, наличие в нашей уже длительное время существующей Вселенной многообразных форм энергии и движения является необъяснимым фактом. Понятно, что выводы теории тепловой смерти Вселенной подводили к предположению о существовании таинственной силы, которая периодически выводит мир из состояния теплового равновесия, т. е. по сути дела к представлению о существовании Бога или других сверхъестественных сущностей, которые вновь и вновь творят Вселенную из хаоса.

Теория тепловой смерти сразу же после создания была подвергнута критике. В частности, появилась флуктуаци-онная теория Л. Больцмана, согласно которой Вселенная выводится из состояния равновесия с помощью внутренне присущих ей флуктуаций. Кроме того, критики говорили, что неправомерно распространять второе начало термодинамики на весь мир, а последний нельзя рассматривать как замкнутую систему с ограниченным числом элементов. Однако наиболее последовательным и полным опровержением теории тепловой смерти Вселенной стала синергети-ческая концепция И. Пригожина и Г. Хакена, созданная в конце XX в. (7.2).

Третьей составляющей классической физики является оптика. На протяжении двух столетий в оптике соперничали корпускулярная и волновая теории, объяснявшие природу световых явлений на разных основаниях. В XVII в. дискуссия развернулась между И. Ньютоном, который придерживался корпускулярной теории, и нидерландским ученым Х. Гюйгенсом – сторонником волновой теории. В соответствии с теорией И. Ньютона, свет – поток материальных частиц-корпускул, наделенных неизменными свойствами и взаимодействующих друг с другом по законам классической механики. Корпускулярная теория хорошо объясняла явления аберрации и дисперсии света, но испытывала трудности в объяснении явлений интерференции, дифракции и поляризации света. Согласно теории Х. Гюйгенса, свет представляет собой волну, распространение которой аналогично распространению волн на поверхности воды и подчиняется тем же законам. Особой средой для распространения световых волн Х. Гюйгенс считал эфир. Волновая теория, в отличие от корпускулярной, хорошо объясняла явления интерференции, дифракции и поляризации. Однако на протяжении XVIII в. большинство ученых придерживались корпускулярной теории И. Ньютона, несмотря на эвристическую силу и убедительность волновой теории Х. Гюйгенса. Немалую роль здесь сыграл непререкаемый авторитет, которым пользовался И. Ньютон в среде научного сообщества.

В 1818 г. с критикой корпускулярной теории выступил французский физик О. Френель. Его выводы убедительно говорили в пользу волновой теории. Предложенная О. Френелем волновая теория предполагала существование явления дифракции, которое должно было наблюдаться в виде светлого пятна в центре тени, отбрасываемой круглым экраном. Это рискованное предположение получило блестящее экспериментальное подтверждение, и волновая теория О. Френеля в начале XIX в. была признана научным сообществом. Окончательное подтверждение волновая теория получила после измерения скорости света в разных средах – воде и воздухе. Согласно корпускулярной теории скорость света в воде должна быть больше, чем скорость света в воздухе. Однако эксперимент показал, что скорость света в воде, т. е. в более плотной среде, оказалась меньше, чем скорость света в воздухе – менее плотной среде.

Недостатком волновой теории света было представление о среде – носителе световой волны. В XIX в. выдвигалась гипотеза, согласно которой таким носителем выступает светоносный эфир. Однако эта гипотеза сталкивалась с серьезной проблемой, разрешить которую не удавалось. Если предположить, что концепция светоносного эфира верна, то возникает вопрос, как эфир взаимодействует с веществом; в частности, увлекается ли эфир Землей при ее движении. Если эфир не увлекается движущимися телами, то его можно рассматривать в качестве абсолютной системы отсчета. Если же он взаимодействует с веществом, то это взаимодействие должно наблюдаться в оптических явлениях.

Недостатки волновой теории света привели к тому, что в конце XIX – начале XX в. физики вновь вернулись к корпускулярной теории, в научный обиход было введено представление об особых световых частицах – фотонах. Корпускулярные и волновые представления объединились только в концепции корпускулярно-волнового дуализма, т. е. уже в неклассической физике XX в. (3.3).

Четвертой составляющей классической физики является электродинамика, или теория электромагнитного поля.

В 80-е гг. XVIII в. французский физик Ш. О. Кулон провел ряд экспериментов по измерению силы, действующей между двумя зарядами. В результате обобщения опытных данных был сформулирован основной закон электростатики: электрические силы ослабевают обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Таким образом, оказалось, что электрическая сила действует так же, как и гравитационная.

В 30-е гг. XIX в. английский физик М. Фарадей предложил понятие поля. Это понятие противоречило представлениям о материи как совокупности атомов. По мнению М. Фарадея, активная и постоянно движущаяся материя не может быть представлена в виде атомов и пустоты, материя непрерывна, атомы есть лишь сгустки силовых линий поля. Безусловно, концепция поля в электродинамике могла сформироваться только после утверждения волновой теории в оптике. М. Фарадей высказал также предположение о единстве электрических и магнитных явлений. В 1831 г. он поставил опыт, который продемонстрировал, что переменное магнитное поле индуцирует электрический ток.