Энциклопедия Кольера - физика природа как механизм

К статье ФИЗИКА И.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". Обрисовав 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.Рёмер 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 ? 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 отношении к структуре вещества внес ясность в начале 19 в. А.Ампер). Эта теория давала оценки масс молекул, их размеров (около двух-трех стомиллионных сантиметра), среднего расстояния между молекулами в газе и в обобщенном виде охватывала все явления, порождаемые случайным действием огромного числа частиц. Позже, благодаря трудам Л.Больцмана (1844-1906) и Дж.Гиббса (1839-1903), она превратилась в науку, известную под названием статистической механики. Больцман показал, что второе начало термодинамики - вывод не более чем статистический. Постепенное разупорядочение во Вселенной аналогично постепенной утрате порядка в первоначально упорядоченной колоде игральных карт при многократном ее тасовании, и подобно тому как карты могут расположиться в исходной последовательности, если колоду перетасовать чудовищно большое число раз, так и вся Вселенная в один прекрасный день чисто случайно вернется в то состояние, из которого она когда-то вышла. (Оптимизма в такой концовке сценария умирающей Вселенной несколько поубавится, если оценить время, необходимое для случайного самопроизвольного возрождения.) Гиббсу принадлежит также заслуга создания химической термодинамики, на которой основаны современная теория химических реакций и вся химическая промышленность. См. также ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА . У кинетической теории, равно как и у атомистической гипотезы, есть один серьезный недостаток: до тех пор пока поведение молекул нельзя будет наблюдать непосредственно, невозможно быть уверенным в правильности этой теории. Никакие подтверждения предсказаний молекулярно-кинетической теории на макроскопическом уровне не могут полностью исключить возможность того, что, подобно теории калорической жидкости или ньютоновской теории газа, она дает приемлемые с научной точки зрения результаты, исходя из неверных посылок. И действительно, еще в 1900 такие выдающиеся ученые, как физик Э.Мах и химик В.Оствальд, заявляли, что не желают рассматривать атомы иначе как гипотезу, позволяющую объяснять некоторые наблюдаемые явления. Но вскоре ситуация резко изменилась. Поскольку молекулярный масштаб слишком мал для прямых наблюдений (и остается таковым поныне, если не считать весьма специальных условий), единственная надежда на "установление контакта" с миром молекулярно-кинетических явлений состоит в том, чтобы найти некий объект промежуточных размеров, достаточно малый для того, чтобы на нем непосредственно сказывались движения молекул, и в то же время достаточно большой для прямого наблюдения. В 1905 А.Эйнштейн, тогда служащий швейцарского патентного бюро в Берне, опубликовал работу, посвященную теоретическому анализу поведения частиц микроскопических размеров, свободно движущихся в жидкости. Разумеется, с каждой такой частицей ежесекундно сталкиваются случайным образом тысячи молекул, но, подобно всем случайным событиям, эти столкновения не могут в точности уравновесить друг друга (так же как при 100 бросаниях монеты редко выпадают ровно 50 орлов и 50 решек). Эйнштейну удалось вывести закон, по которому происходит случайное блуждание частиц: их среднее удаление от исходной точки возрастает как квадратный корень из времени. Вся теория Эйнштейна была изложена в виде цепочки формул. Подставляя в них определенные числа, можно было получать массы молекул. В примечании, данном в конце работы, Эйнштейн сообщал, что описываемое им явление, по-видимому, наблюдал в 1827 шотландский ботаник Р.Броун, исследовавший под микроскопом цветочную пыльцу, взвешенную в воде. Не прекращающиеся ни на миг блуждания частиц пыльцы (теперь эти блуждания называются броуновским движением) возбудили тогда некоторое любопытство, их даже приписали столкновениям частиц с молекулами, но лишь Эйнштейн усмотрел в броуновском движении мостик, соединяющий макроскопический и микроскопический миры. См. также ТЕРМОДИНАМИКА; МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ. Электричество и магнетизм. Долгое время большинство физиков рассматривали эти явления как несущественные курьезы. Первым, кто предположил, что они со временем будут играть важную роль в понимании природных явлений, был, по-видимому, Ньютон. Начало научных наблюдений электрических и магнитных явлений связывают с именем английского физики У.Гильберта (1540-1603). Он провел ряд опытов, пытаясь доказать, что земной магнетизм можно объяснить, если представить Землю в виде большого сферического магнита. Первые опыты с электричеством (этот термин ввел Гильберт) были поставлены с целью дать ответ на вопрос, существуют ли два типа носителей электричества или же отрицательный заряд - это просто отсутствие заряда положительного. Деление зарядов на положительные и отрицательные восходит к Б.Франклину (1706-1790), одному из немногих людей в Америке 18 в., которые интересовались общенаучными вопросами. Первые количественные измерения, предпринятые для того чтобы установить законы электричества, были выполнены в конце 18 в. Тогда целому ряду исследователей удалось разными путями показать, что электрические силы сходны с гравитационными в том отношении, что они тоже обратно пропорциональны квадрату расстояния, хотя два электрических заряда могут и притягиваться, и отталкиваться, а под действием гравитационных сил тела могут только притягиваться друг к другу. Вскоре Ш.Кулон (1736-1806), один из тех, кто исследовал взаимодействие электрических зарядов и сформулировал закон, которому это взаимодействие подчиняется, установил аналогичную закономерность для магнитных сил. См. также МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА; ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ. Все последующие события берут начало с изобретения А.Вольта (1745-1827) в 1800 электрической батареи, с помощью которой можно было получать постоянный электрический ток. Это изобретение позволило совершить множество открытий. Многие из них принадлежат М.Фарадею (1791-1867), чье имя в экспериментальной науке стоит почти так же высоко, как имя Ньютона в науке теоретической. Открытия, о которых идет речь, можно разделить на три группы: электрохимические, оптические и электромагнитные. К последним относятся наблюдения Х.Эрстеда (1820), обнаружившего, что электрический ток создает магнитное поле, и Фарадея (1831), продемонстрировавшего, что переменное магнитное поле создает электрическую силу. Эти открытия в свою очередь показали, что электричество и магнетизм должны быть тесно связаны между собой. Было достаточно легко представить электрический ток как некую жидкость, текущую по проводнику под действием электрических сил, но электромагнитные явления не поддавались такому простому механистическому объяснению, и, как мы увидим в дальнейшем, их физическая интерпретация привела к крушению того, что называли механистической картиной мира. Но прежде чем переходить к этому, расскажем о последнем блестящем успехе механистического подхода. Строение атома. Обычные природные явления не дают никаких свидетельств о внутреннем строении атомов; почти все "коллективные" свойства газов и жидкостей и многие "коллективные"свойства твердых тел можно объяснить, считая атомы твердыми шариками, между которыми действуют силы взаимного притяжения. Однако в конце 19 в. стало очевидно, что существуют по крайней мере два класса явлений, для объяснения которых нужно более подробно знать, что именно представляет собой атом. Один из этих классов составляют явления, свидетельствующие о том, что атомы, лишь незначительно различающиеся по массе, могут обладать существенно разными химическими свойствами. Другой класс явлений связан со спектроскопией, которая занимается анализом света, испускаемого раскаленными газами и парами. Оказалось, что такой свет представляет собой набор волн с определенными частотами, характерными для каждого сорта атомов. В первые годы 20 в. было построено несколько моделей атома. К этому времени стало известно, что одним из его составных элементов является электрон - частица с отрицательным электрическим зарядом и массой, в несколько тысяч раз меньшей массы атома. Из того, что в целом атом электрически нейтрален, следовало, что наряду с электронами атом содержит какие-то компенсирующие положительные заряды. В 1911-1912 строение атома было в общих чертах установлено. Э.Резерфорд (1871-1937) начал свою научную карьеру с разгадки тайн радиоактивности - явления, открытого в 1896 А.Беккерелем. В 1911, работая в Манчестерском университете, Резерфорд получил экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что положительный заряд атома сосредоточен в его небольшой массивной сердцевине - ядре. Резерфорд сразу же высказал предположение, что атом устроен аналогично Солнечной системе: роль Солнца играет атомное ядро, а роль планет - электроны. См. также АТОМА СТРОЕНИЕ; АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ. После открытия, сделанного Резерфордом, было естественным попытаться воспользоваться ньютоновской механикой, чтобы описать строение атома, в частности, размеры атомов, их химические свойства и спектры. Начало работам в этом направлении было положено Н.Бором, практикантом, приехавшим в Манчестер к Резерфорду из Дании. Бор решил начать с простейшего из атомов - водорода, в котором, согласно планетарной модели Резерфорда, должен быть один электрон, обращающийся вокруг одной тяжелой частицы, называемой протоном. Кроме того, частоты эмиссионного спектра водорода составляли простой набор, который точно описывался формулой, подобранной И.Бальмером в 1885. Бор быстро обнаружил, что одних законов Ньютона недостаточно для того, чтобы объяснить стабильность атома и испускание света только определенных частот; эти законы необходимо дополнить новым законом, не опирающимся на предшествующую физику. Согласно этому закону, из всех возможных орбит, по которым электрон может обращаться вокруг ядра в соответствии с ньютоновской механикой, в природе реализуется только небольшой набор орбит, удовлетворяющих некоторому математическому условию. "Постулаты Бора" и идея Эйнштейна о природе лучистой энергии (о чем будет сказано ниже) позволили Бору получить формулу Бальмера. За этим успехом, открывшим путь к познанию строения атома, последовало качественное объяснение основных химических свойств всех атомов. Но темные места все же оставались, и самым загадочным было то, что теория Бора не могла объяснить спектр или хотя бы стабильность любого атома, более сложного, чем атом водорода. Не поддавался анализу даже атом гелия с всего лишь двумя электронами, вращающимися вокруг ядра, положительный заряд которого вдвое больше заряда протона. Напрашивался вывод, что атом водорода следует рассматривать как некое исключение и что успех Бора, возможно, был чисто случайным. В действительности же механистическая концепция достигла пределов своего развития и в ближайшем будущем ей предстояло уступить место иному взгляду на физические явления, который подспудно формировался на протяжении многих лет.