III. Физические науки

III. Физические науки

В иерархии наук рядом с кинематикой выступает механика; возникает вопрос: какое понятие здесь было решающим? Исследуя состав науки в этом направлении, мы находим два главных понятия: силу и массу, вокруг которых исторически развилась механика. Примыкая к этим понятиям, возникли затем и другие понятия, в частности понятия работы и живой силы, или энергии движения, относительно степени важности этих различных понятий существует довольно распространенное различие во мнениях.

В большей своей части эти различия во мнениях возникли от того, что и относительно принадлежности механики к физике господствовали сомнения. Благодаря тому обстоятельству, что известные, очень абстрактные, т. е. очень отдаленные от фактических явлений, области механики разрабатывались больше как исходные точки математических исследований, нежели поле более точного изложения действительных явлений, возникло мнение, что в механике важна вообще не опытная наука, а свободное творение человеческого духа, другими словами, игра. В настоящее время это ложное понимание можно считать в главных его чертах опровергнутым, выясняется все более и более, что механика составляет лишь часть физики и что своим «чисто математическим» видом механика обязана была лишь своему собственному удалению от научной задачи.

При исследовании целесообразнейшего общего понятия механики мы поэтому лучше всего сделаем, если сразу посоветуемся и с другими частями физики и спросим себя: существуют ли понятия, находящие себе применение во всей области этих наук? За ответом, кажется, не приходится далеко ходить: понятие материи выступает в механике и распространяется отсюда на большинство частей физики.

Правда, для полного изложения фактических явлений одного этого понятия недостаточно. Оно встречается поэтому всюду сплетенным с понятием движения (которое, в свою очередь, состоит из пространства и времени), и нередко можно встретить утверждение, что все известные явления можно свести к материи и ее движениям.

Между тем в настоящее время несомненно известно, что фактическое сведение немеханических явлений к механическим, вытекающее из подобного понимания, несмотря на бесчисленные усилия в этом направлении, удалось весьма несовершенно, если вообще удалось. Наиболее роковым является то обстоятельство, что для этой цели всегда в науку должны быть введены гипотезы, т. е. допускаются такие массы и движения, которых нельзя ни измерять, ни наблюдать и которым приписываются такие мыслимые свойства, согласно которым известные отдаленные результаты могут быть изображены как их следствия. При этом никогда невозможно доказать, что совершенно другие предпосылки не привели бы к тем же результатам, стало быть, эти допущения всегда витают в области неизвестного.

Ввиду этих неудовлетворительных условий вполне уместен вопрос: не дает ли нам наука возможности более целесообразного образования понятий, а именно такого, которое избегало бы гипотетического допущения скрытых масс и незримых движений и оперировало бы только поддающимися измерению и нахождению величинами? На этот вопрос можно ответить, что действительно существует такое понятие; имя его – энергия.

Продолжавшиеся на протяжении ряда веков усилия сконструировать perpetuum mobile, т. е. такую машину, которая при своем движении не только содержала сама себя, но по возможности могла бы двигать и другие машины, привели, как известно, к выводу, что это невыполнимо. В лучшем случае из машины получают столько работы, сколько в нее вложено.

На первый взгляд все остроумие и все усилия, потраченные теми исследователями, кажутся тщетными; между тем добытое отрицательное положение – perpetuum mobile невозможен – обладает также весьма важной положительной стороной. Она состоит в знании того, что для всех механических машин существует определенная величина, работа, которая не может быть ни количественно увеличена, ни создана из ничего, а сохраняет свой состав даже тогда, когда проходит через машину и тем полнее, чем лучше построена машина. Около середины XIX столетия (1842 г.) немецкий врач И. Р. Майер сделал дальнейшее открытие, а именно: что во всех тех случаях, когда исчезает работа, на ее месте возникает определенное количество теплоты или какой-нибудь другой вещи, которая, в свою очередь, снова может быть превращена в работу. Эта вещь и есть то, что теперь называется энергией; согласно только что данному определению мы энергией называем работу и все, что возникает из работы и может быть превращено в нее.

Определенная таким опытным путем энергия может принимать самые различные формы, фактически до того различные, что каждая область физики (включая и химию) характеризуется особым родом энергии, свойствами и превращениями которой она занимается. Так, кроме нескольких родов механической энергии (к которым принадлежит и работа), существуют еще тепловая энергия, электрическая и магнетическая, лучистая (от которой зависят явления света) и, наконец, химическая. Эти роды энергии достоверно найдены и однозначимо характеризуются; кроме того, можно надеяться подвести под понятие энергии специальные явления жизни и духовных процессов.

Часто ставился вопрос, можно ли энергии приписать реальность. Этот вопрос возник благодаря тому, что понятие энергии было образовано сравнительно поздно, так что прием абстракции, приведший к нему, еще был, так сказать, у всех на глазах. Кроме того, указывалось на то, что вообще существует лингвистическая двузначимость слов, которыми обозначают понятия. С одной стороны, под этим понимают абстрактное понятие само, с другой – индивидуальную вещь, подпадающую под понятие. В этом смысле общее понятие энергии абстрактно; отдельные же энергии реальны. Это легче всего видно из того, что энергия в самых различных ее формах является предметом торговли и сообщения. Абонирующиеся на электричество получают за ежегодный взнос определенное количество электрической энергии, которую они, смотря по надобности, могут превратить в свет (лучистую энергию) или работу (механическую энергию), применять к электролизу (химическая энергия) и т. д. Ценность «силы воды» лежит в энергии, заключенной в падающей воде, что яснее всего видно из того обстоятельства, что после того, как вода выполнила свою работу на мельнице или турбине, ее выпускают: после потери своей энергии она потеряла и ценность. К тем же выводам мы приходим при исследовании с этой же точки зрения употребления топлива или пищи.

В ряде повышающихся общих понятий энергия примыкает, таким образом, непосредственно к пространству и времени, и физические науки, от механики до химии, также характеризуются этим понятием, как геометрия – понятием пространства, а арифметика – понятием числа. Говоря иначе, физика является учением об энергии или энергетикой в самом широком смысле этого слова. Подобно тому, как все наши переживания выливаются в формы пространства и времени, так они подчинены и формам энергии. Это вытекает, с одной стороны, из того, что любое физическое событие исчерпывающе может быть характеризовано или описано указанием участвующих в нем энергий наряду с пространством и временем; затем еще из следующего обстоятельства. Все наше знание внешнего мира мы получаем при посредстве наших чувственных аппаратов, но необходимым и достаточным условием деятельности такого чувственного аппарата является наличность обмена энергии между ним и внешним миром. В большинстве случаев этот обмен состоит в том, что в чувственный аппарат переходит энергия из внешнего мира, но бывают отдельные случаи (например, прикосновение к холодному телу), когда происходит и обратное движение энергии.

О значении энергии при образовании нашей мировой картины мы можем получить хорошее представление, если представим себе, что различные чувственные аппараты функционируют отдельно друг от друга. Для существа, обладающего только ощущениями вкуса и обоняния (вызываемыми химической энергией), весь объем известного ему мира будет ограничен объемом полостей его рта и носа. Существо, наделенное только органами осязания, имеет приблизительно шарообразный мир величиной в ту область, которую он может осязать, т. е. в лучшем случае в несколько метров протяжения. Слух расширяет этот мир, хотя неопределенно, на расстояние, имеющее километр в радиусе. Наконец, благодаря зрению мир приобретает те размеры и ту сложность, которыми он обладает у человека нормального. Границы нашего мира установлены тем, что член чувствителен не ко всем световым впечатлениям, а только к тем, энергия которых превосходит определенный состав, «ценность порога». Так как свет, направляющийся к нам от внешних светящихся тел, уменьшается с квадратом расстояния, то звезды, которые при данной величине отдалены более, чем на известное расстояние, для нас не существуют. Они вступают в наш мир, как только испускаемый ими свет мы собираем в чечевицы и сообщаем нашему глазу; таким образом, каждое увеличение астрономического телескопа влечет за собой соответственное увеличение нашего мира. Поэтому наш мир в общем и исчерпывающе может быть охарактеризован как область, от которой мы получаем такие количества энергии, какие лежат над ценностью порога наших чувственных аппаратов.

Разберем какой-нибудь каждодневный опыт. Предо мною в стакане роза. Я замечаю ее благодаря лучистой энергии, которая исходит от ее лепестков в виде красного света и наряду с знанием ее цвета сообщает мне и знание ее формы. Что это не образ, а «настоящая» роза, я узнаю через прикосновение, пуская в ход механическую энергию между нею и моим пальцем; аромат или действие ее химической энергии позволяет мне распознать, что это роза свежая, а не искусственная, если я не пришел к этому убеждению уже при прикосновении к ней. Короче, в какое бы отношение я ни стал к этому предмету, любое наличное отношение характеризуется и обусловливается соответственным проявлением энергии.

Как относится понятие энергии к понятию материи? Ответ на этот вопрос необходим, ибо последнее понятие часто употреблялось для той же цели, что и энергия, но правильность ответа сильно затруднена тем, что отсутствует как общепризнанное определение материи, так и согласованное употребление этого понятия. В большинстве случаев под материей разумеют то, что обладает весом и массой, этим определением исключаются явления электрические и лучистые – для них создали свободное от массы и веса понятие эфира. Что касается определения последнего, то известно только, что он «носитель» тех явлений, причем сделана недоказанная предпосылка, что они нуждаются в таком носителе. Исследуя в каком-нибудь направлении логико-систематическую ценность этого понятия, мы находим везде, что она сомнительна и что это понятие отлично может быть заменено понятием энергии, выиграв от этого только в смысле строгости и стройности изложения.

Итак, мы можем свои рассуждения закончить выводом, что при помощи понятия энергии возможно охватить одним общим понятием все физические явления. Закон взаимных превращений родов энергии обеспечивает, с одной стороны, единство всей области, а с другой – многосложность, необходимую для изображения фактических явлений.

Кроме описанных до сих пор свойств, энергия обладает еще особым, существенно важным для понимания мира свойством. Оно выражается так называемым вторым принципом энергетики (закон количественного сохранения энергии при качественном ее превращении образует первый принцип).

В предыдущем изложении было показано, что невозможность создать perpetuum mobile послужило основанием для открытия первого принципа. Но то, к чему стремились изобретатели perpetuum mobile, было бы достигнуто, если бы вместо создания энергии из ничего можно было привести в движение покоящуюся энергию. При переезде корабля из Гамбурга в Нью-Йорк расходуются, как известно, огромные запасы энергии, которые берутся на корабль в виде каменного угля и приводят в движение паровую машину. Работа паровой машины сводится не к чему иному, как к преодолению трения воды, при этом вся энергия, как нам достоверно известно, превращается в теплоту и возвращается снова в океан. Если бы мы, стало быть, теплоту океана могли заставить делать работу, нужную для приведения в движение паровой машины, и затем снова вернуться в океан, то у нас не было бы надобности в угле и мы обладали бы также чем-то вроде perpetuum mobile. Но это невозможно, и за этой невозможностью также стоит новый закон энергии, второй принцип.

Невозможность вытекает из того, что теплота одинаковой температуры никогда свободно не расчленяется на две части различной температуры. Точно так же ровная масса воды не расчленится сама собою на высшую и низшую часть, как не потечет вверх по горе. Для каждого рода энергии существует подобная невозможность; покоящаяся энергия никогда добровольно не приходит в движение. Наоборот, подвижная энергия какого бы то ни было рода всегда в конце концов добровольно переходит в покоящуюся, по крайней мере при тех условиях, которые мы знаем на земле.

Эта особенность обусловливает то, что все нам известные процессы в отношении временного прохождения протекают односторонне в том смысле, что подвижные энергии, увеличиваясь, выравниваются, обратное же изменение никогда не имеет места. Благодаря этому возникает основное различие во времени между раньше и позже. В то время как по смыслу разобранных законов время симметрично и вперед и назад – каждое движение может протекать как вперед, так и назад, – благодаря второму принципу оно приобретает известный из опыта односторонний характер, согласно которому прошедшее никогда не возвращается.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.