3. Концепции и принципы классического физического — механистического и термодинамического естествознания

3. Концепции и принципы классического физического — механистического и термодинамического естествознания

3.1. Объекты физического познания и структура физических наук

Как ясно из главы 2, естествознание выросло из античной натурфилософии, философии природы, рассматривающей ее как умозрительную целостность. В недрах натурфилософии, наряду с астрономией, наукой небес, зародилась и главная наука о природе — физика. Аристотель предвосхитил предмет физики в сочинении «Физика». «Физика, — писал он, — наука о природе и изучает преимущественно тела и величины, их свойства и виды движения и, кроме того, начало такого рода бытия*. Это аристотелевское определение практически не расходится с современным определением физики как науки, изучающей простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения. Поэтому понятия, принципы и законы физики фундаментальны, то есть основополагающие для всего естествознания. Физика относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений. «Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира», — так писал Эйнштейн (мы, конечно, помним, что элементарные — это значит начальные, основные, фундаментальные).

В своей основе физика — экспериментальная наука: ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем, представляют собой количественные соотношения (как правило, достаточно простые) и формулируются на том или ином математическом языке. Различают экспериментальную физику — опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и для проверки известных физических законов, и теоретическую физику, цель которой состоит в формулировке законов природы и в объяснении конкретных явлений на основе этих законов, а также в предсказании новых явлений. При изучении любого явления опыт и теория действуют в единстве, во взаимосвязи.

В соответствии с многообразием исследуемых физических объектов, уровней организации и форм движения физика подразделяется на ряд дисциплин (разделов), так или иначе связанных друг с другом. По изучаемым физическим объектам физика делится на физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов и молекул, газов и жидкостей, твердого тела и плазмы. По критерию уровней организации материи — на физику микро-, макро- и мегамира. По критерию изучаемых процессов, явлений или форм движения (взаимодействия) различают механические, электромагнитные, квантовые и гравитационные явления, тепловые или термодинамические процессы, и соответствующие им области физики: механику, электродинамику, квантовую физику, теорию гравитации, термодинамику и статистическую физику. Указанные подразделения физики по отмеченным критериям частично перекрываются, вследствие глубокой внутренней взаимосвязи между объектами материального мира и процессами, в которых они участвуют. Современная физика содержит не такое уж большое количество фундаментальных теорий, охватывающих все разделы физики. Эти теории представляют собой квинтэссенцию (наиболее существенное; в буквальном смысле латинское слово Quinta essentia — пятая сущность, то есть добавление Аристотелем к четырем античным стихиям — воздуху, воде, огню, земле еще и пятой стихии, стихии небес — эфира) знаний о характере физических процессов и явлений, приближенное, но наиболее полное отображение различных форм движения материи в природе.

В нашу задачу в этом курсе входит только сжатый очерк развития с XVI века сначала механистических, затем физических концепций и освещение основных концептуальных понятий физических объектов, форм их движений и взаимодействий.

3.2. Концепции предклассического механистического естествознания

С середины XV века Европа вступает в период революционных цивилизационных (от лат. civilis — гражданский) преобразований. Изменяется все: экономические отношения, государственное устройство, культура, образовательная система и наука. В науке особо выделяется естествознание, развитию которого содействовали, как минимум, два обстоятельства. Во-первых, начавшаяся робко в средневековье ломка основ религиозного мышления и нарождение нового научного мышления получает мощную поддержку со стороны великих реформаторов естествознания, таких как Леонардо да Винчи, Николай Коперник, Теофраст Парацельс, Джордано Бруно, Фрэнсис Бэкон, Галилео Галилей, Иоганн Кеплер, Рене Декарт, Пьер Ферма, Блез Паскаль, Роберт Гук, благодаря которым наука превращается в самостоятельный фактор духовной и культурной жизни, в реальную основу нарождающегося нового мировоззрения. Во-вторых, наряду с наблюдением и миросозерцанием, характерным для науки античного и раннего средневекового периодов, в науку внедряется эксперимент, который становится в ней ведущим методом исследования, радикально расширяя сферу познаваемой реальности и усиливая познавательную мощь естествознания. Господствующим методом мышления становится метафизика, так что этот период развития естествознания можно называть метафизическим, который уступит место диалектическому методу только в XIX столетии. Наибольшие успехи достигаются в области механики, завершенной и систематизированной в своих основаниях к концу XVII века, в результате чего решающее значение приобретает формирующаяся механистическая картина мира, ставшая на три столетия универсальной научной картиной мира. В ее рамках осуществлялись познания не только физических и химических, но также и биологических и антропологических явлений и событий. Идеалы механистического естествознания становятся основой теории познания и методологии науки. Возникают философские учения о человеческой природе, обществе и государстве, выступающие в XVI–XVIII веках как разделы общего учения о едином мировом механизме.

Галилео Галилей (1564–1642), итальянский гений, титан мысли и дела, родился в городе Пизе в знатной, но обедневшей семье. Кстати, бедность не дала ему возможность закончить Пизанский университет, в котором он изучал медицину, но, тем не менее, в 1589 г. он сумел получить в этом университете должность преподавателя математики (!), которую начал изучать самостоятельно с 1585. (До Галилея фактически самоучкой был Авиценна, после него будет Майкл Фарадей). Несколькими годами позже, в 1592, он перешел в Падуанский университет, где занял кафедру математики, которую до него годом раньше безуспешно пытался занять Джордано Бруно (как тесен мир!), и оставался на ней до 1610 года. Именно в эти годы он сделал большую часть своих научных открытий, но не в области математики, а в механике, физике и астрономии.

Все основные открытия Галилея изложены в его двух главных книгах — «Диалог о двух главнейших системах мира — птолемеевой и коперниковой» (1632) и «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению» (год издания — 1638). Последняя книга была написана «узником инквизиции», тогда уже старым, больным и полуслепым человеком, окончательно потерявшим зрение в 1637. В последней книге, имеющей непреходящую ценность для науки, новыми и притом универсальными оказались не только сами вопросы, но и методологические принципы их решения, которые с тех пор кладутся в основу любого научного исследования.

Появление «Бесед» можно считать концом периода «цитатной науки», опиравшейся на авторитеты Аристотеля и других канонизированных церковью мыслителей, на цитаты и их толкование, и началом современного естествознания. Именно поэтому, говоря о величайших творцах физики, по праву называют имена: Аристотель — Галилей — Ньютон — Эйнштейн. «Беседы» разбиты на «дни», каждый из которых посвящен специальному вопросу. Вот как начинает Галилей «день третий» (сравните с книгой «Бытие» Моисея, с первой ее главой!).

«Мы создаем совершенно новую науку, предмет которой является чрезвычайно старым. В природе нет ничего древнее движения, но именно относительно него философами написано весьма мало значительного. Поэтому я многократно изучал на опыте его особенности… до сего времени либо неизвестные, либо недоказанные… Говорят, что естественное движение падающего тяжелого тела есть движение ускоренное. Однако в какой мере нарастает ускорение, до сих пор не было указано… Было замечено также, что бросаемые тела или снаряды описывают некоторую кривую линию; но того, что линия является параболой, никто не указал».

Далее Галилей, ни разу не употребив на 600 страницах книги математических формул (через два века подобное совершит Майкл Фарадей, излагая законы электромагнетизма!), исследуя движение твердого тела, напишет: 1. «… скорости, приобретаемые одним и тем же телом при движении по наклонным плоскостям, равны между собой, если высоты этих наклонных плоскостей одинаковы». 2. «Если тело, выйдя из состояния покоя, падает равномерно ускоренно, то расстояния, проходимые им за определенные промежутки времени, относятся между собой, как квадраты времени». (Между прочим, широко распространяемая легенда о том, что Галилей проводил свои эксперименты, бросая тела с Башни знаний в Пизе, не соответствует действительности, но она жива и будет жить еще многие века). Для проверки своих доводов Галилей создает расчетную модель — предполагает, что у падающего тела скорость меняется либо пропорционально времени, либо пропорционально квадрату времени, т. е. феноменологически ставится вопрос не почему тело падает, а как падает! Впервые в истории науки ставится эксперимент, который должен проверить расчетную модель. Целенаправленный эксперимент есть то, что Галилей ввел в качестве неотъемлемого элемента научного исследования. Последующие рассуждения привели его к открытию закона инерции, одного из главнейших законов природы, и того, что возможно движение в отсутствии действия каких-либо сил.

Важным и непреходящим является также то, что Галилей учил и научил, во-первых, не доверять кажущимся очевидностям. Во-вторых, он писал (как завещание): «Философия написана в величайшей книге, которая постоянно открыта нашим глазам (я говорю о Вселенной); но нельзя ее понять, не научившись прежде понимать ее язык и различать знаки, которыми она написана. Написана же она языком математическим, и знаки ее суть треугольники, круги и другие математические фигуры, без которых человеку невозможно понять ни одного содержащегося в ней слова». Здесь — зерно метода математического естествознания.

Читая эту книгу, которая, по сути, была энциклопедией физики начала XVII века, можно только поражаться разносторонности интересов Галилея, его пытливости, его наблюдательности, обилию полученных результатов. Здесь излагается метод определения скорости света, объясняется явление резонанса, указывается на одинаковый период качаний паникадила в церкви, что положит начало основам теории колебаний, и т. д. Он услышал в 1609 г. об изобретении в Голландии прибора, который позднее будет назван телескопом, и этого для него достаточно, чтобы из органной трубы и двух линз самому построить «зрительную трубу». Это позволило ему открыть горы на Луне, пятна на Солнце (хотя сделал эти открытия далеко не первым из людей, вспомните китайцев), фазы Венеры, спутники Юпитера.

Опровергая аргументы Птолемея и Аристотеля, высказанные ими против вращения Земли, путем разбора множества механических явлений, Галилей приходит к открытиям закона инерции и механического принципа относительности.

Эти конкретные и хорошо известные достижения Галилея затеняют другое, не менее важное, научное наследие Галилея — научную методологию исследований природных явлений. Галилей сумел практически реализовать экспериментальный метод, придав ему современные черты (создание модели реального процесса, абстрагирование (отвлечение) от несущественных факторов, неоднократное повторение опыта и т. д.). Галилей возобновил математический подход Архимеда к исследованию явлений природы, провозгласив, что «книга природы написана на языке математики, ее буквами служат треугольники, окружности и другие геометрические фигуры…».

Было бы несправедливо не вспомнить еще об одном великом предшественнике И. Ньютона — выдающемся французском философе и математике Р. Декарте. Рене Декарт (1596–1650 гг.) был авторитетнейшим ученым для естествоиспытателей XVII века. Для Декарта весь физический мир представлял собой огромную машину, функционирующую по определенным, объективным законам, открыть которые человечество способно путем математических рассуждений. Декарт считал, что только математика обеспечивает надежный путь к истине. Он заявлял, что «не приемлет и не надеется найти в физике каких-либо принципов, отличных от тех, которые существуют в Геометрии или абстрактной Математике, потому что они позволяют объяснить все явления природы и привести доказательства, не оставляющие сомнений». С точки зрения Декарта, реальный мир подвластен математическому описанию. По его мнению, наиболее глубокими и надежными свойствами материи являются форма, протяженность в пространстве и движение в пространстве и времени.

Восхваляя математический метод в познании реального мира, Декарт удивительно мало написал работ по математике, а точнее, только одно небольшое, но великое произведение — «Геометрию», в которой заложил основы аналитической геометрии, являющейся в настоящее время необходимым инструментом при математической формулировке многих физических задач.

Резюме

1) Важнейшим моментом в подготовке научной революции XVI–XVII вв., приведшей к рождению нового естествознания, было изменение взглядов на состояние Земли во Вселенной — переход от геоцентрической картины мира к гелиоцентрической.

2) Законы движения планет, сформулированные И. Кеплером, послужили фундаментом для закона всемирного тяготения.

3) Закон инерции, сформулированный Галилео Галилеем, положил конец физике Аристотеля — это с одной стороны, и послужил толчком, с другой стороны, развития физической мысли в направлении, приведшем к специальной и общей теории от носительности Эйнштейна в XX столетии.

3.3. Ньютоновы принципы классического механистического естествознания

Исаак Ньютон (1642–1727), величайший ученый всех времен и народов, английский физик, механик, астроном и математик, в 1687 году издал свое классическое произведение, главный труд своей жизни — «Математические начала натуральной философии». «Начала», вершина научного творчества Ньютона, состоят из 3-х частей: в первых двух частях речь идет о движении тел, механике тел, в которых формулируются, постулируются три знаменитых закона динамики Ньютона, а последняя часть сочинения посвящена системе мира (космологии), в которой обосновывается вывод и даны приложения знаменитейшего закона всемирного тяготения Ньютона.

Начать надо с фундаментальных физических определений и понятий, положивших начало классического естествознания, поскольку здесь мы имеем общий образец, которому следовали ученые последующих поколений при построении теорий. Так вот, Ньютон, прежде всего, определяет свойства объекта, который является предметом изучения — это некоторая масса (тело), и место, и время, в которое он (объект) изучается.

Итак, слово Исааку Ньютону из его «Начал»:

1) Количество материи (масса) есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее.

2) Количество движения есть мера такового, устанавливаемая пропорционально скорости и массе.

3) Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения.

Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные.

а) Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

б) Абсолютное пространство по самой своей сущности, без относительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

в) Место есть часть пространства, занимаемая телом и, по отношению к пространству, бывает или абсолютным, или относительным.

г) Абсолютное движение есть перемещение тела из одного его абсолютного места в другое».

И далее то, как постулированы три фундаментальные закона движения, носящие имя Ньютона:

I. Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

II. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

III. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны».

Четвертым законом в «Началах» Ньютона стал закон всемирного тяготения. Анализируя законы Кеплера, Ньютон пришел к заключению, что между небесными телами действует сила притяжения, обратно пропорциональная квадрату расстояния между телами. Высказав предположение, что силы тяготения имеют всеобщий (всемирный) характер и что эти силы пропорциональны массам взаимодействующих тел, Ньютон установил закон, олицетворяющий первую теорию тяготения (гравитации):

Ньютону принадлежит доказательство того, что закон всемирного тяготения вместе с первым и вторым законами динамики достаточны для описания движения тел на поверхности и вблизи поверхности Земли. Законы движения и закон всемирного тяготения Ньютона принадлежат к числу фундаментальных физических принципов, и, подобно аксиомам Евклида в геометрии, они служат логической основой для получения других частных физических законов.

Итак, основное содержание или основные идеи классической механики таковы:

A) есть тела, которые следует наделить свойством массы;

Б) массы притягиваются друг к другу (закон всемирного тяготения);

B) тела могут сохранять свое состояние — покоиться или двигаться равномерно, не меняя своего направления движения (закон инерции, он же принцип относительности);

Г) при действии на тела сил они изменяют свое состояние: либо ускоряются, либо замедляются (второй закон динамики Ньютона);

Д) действие сил вызывает обратное равное ему противодействие (третий закон Ньютона).

Ньютону также принадлежит честь (вместе с немецким математиком Готфридом Лейбницем) создания великолепной математической теории — дифференциального и интегрального исчислений, лежащих в основании классического естествознания. Эта математическая теория стала одной из самых «используемых» теорий всеми учеными, работающими не только в области естествознания, но и в технических и в социально-экономических науках.

В XVIII–XIX веках знаменитыми математиками — швейцарцем (проработавшим большую часть своей жизни в России, а потому признаваемым как русский ученый) Леонардо Эйлером, французами Луи Лагранжем (1736–1813 гг.), Пьером Симоном Лапласом (1749–1827 гг.) и ирландцем Уильямом Роаном Гамильтоном (1805–1865 гг.), механике Ньютона были приданы изящные, математически строгие формы. Этих форм две, и их принято называть лагранжева и гамильтонова формы (часто это также характеризуют словами лагранжев и гамильтонов формализм). Они, эти великие математики, в этом нет никакого сомнения, завершили построение здания под названием классическая механика.

Теперь можно сформулировать основные научные положения механистической ньютоново-картезианской парадигмы или механистической картины мира, которые составляют, вместе с тем, основные принципы и закономерности классического механистического естествознания:

— мир состоит из массивных (материальных) объектов конечных объемов (размеров), видимые контуры которых являются их физическими границами;

— эти объекты движутся в пустом трехмерном евклидовом пространстве, евклидовыми также являются линии (траектории) их движения — прямые, окружности, эллипсы, параболы, спирали и другие линии;

— время — четвертая координата пространственно-временного континуума, независимая от пространственных координат;

— три закона динамики Ньютона управляют движениями (траекториями) материальных (наделенных массой или масссивных) объектов, заполняющих пространственно-временной континуум;

— поле тяготения (гравитация) распространяется в пространственно-временном континууме с бесконечной скоростью и никак не затрагивает течения времени;

— линейный характер ньютоновой динамики означает, что интенсивность следствия в мире механических явлений прямо пропорциональна интенсивности причины (так называемый лапласовский детерминизм).

Указанные фундаментальные положения классического формализма могут быть дополнены следующими эвристическими (методологическими) выводами:

1. Природных возможностей человеческого разума вполне достаточно для того, чтобы понять (выразить) мир механических явлений в понятиях и теориях.

2. Изучение мира механических явлений и процессов не оказывает существенного влияния на их течение.

3. Теоретический расчет движения реальных массивных объектов можно сделать сколь угодно точно, задавая экспериментальные так называемые начальные условия в какой-либо точке пространственно-временного континуума (начальные значения пространственных координат и скорости объекта в какой-либо его точке).

4. Уравнения динамики обратимы во времени, т. е. для них безразлично, куда развивается процесс из настоящего времени — в будущее или прошлое.

5. Точный численный расчет движений массивных объектов позволяет эффективно изменять и преобразовывать его по своему усмотрению.

Итак, именно эти перечисленные выше концептуальные положения и выводы, именуемые как ньютоново-картезианская (Картезий — латинизированное имя Декарта) парадигма, являются методологической основой классического механистического и физического естествознания. Вместе с лапласовским детерминизмом ньютоново-картезианская парадигма создала основу классического естествознаний и всей классической науки, господствующих в мышлении людей с XVIII века, а во многих случаях, и до сих пор, хотя время их уже давно прошло.

Ключевые слова классического механистического этапа науки: абсолютное пространство, абсолютное время, масса, инерция, динамические законы Ньютона, лапласовский детерминизм, лагранжев формализм, гамильтонов формализм, объективность, абсолютная предсказуемость событий будущего.

Резюме

1. Классическая механика дала четкие ориентиры в понимании фундаментальных категорий — пространства, времени и движения материи.

2. Законы классической механики с большой точностью (но все же приближенно) отражают истинные законы природы. До сих пор с помощью законов, сформулированных И. Ньютоном, производится, например, расчет траекторий искусственных спутников Земли. Пределы применимости классических законов механики устанавливаются в другой теории, возникшей в XX веке — в специальной теории относительности Эйнштейна.

3. Формирование классической физики, начатое в XVII веке работами Галилея, завершилось в XIX веке созданием Дж. Максвеллом теории электромагнитного поля, положившему начало в XX веке новому этапу в науке — неклассическому.

Невообразимо широк спектр использования этой теории в науке, технике, быту.

3.4. Энергия, теплота, закон сохранения энергии и первое начало (принцип) термодинамики

Создание классической физики, начатое и осуществленное Галилеем и Ньютоном в XVII–XVIII веках, получило логическое завершение только в конце XIX века. Параллельно с развитием механики, в XVIII веке разрабатываются представления о тепле. Так, один из разделов в тепле — термометрия, получил развитие в начале XVIII века благодаря работам Реомюра, Цельсия, Фаренгейта.

Наибольшее распространение получила система (шкала) измерения температур по Цельсию, отправными реперами в которой послужили температуры замерзания и парообразования воды, принятые Цельсием за 0 и 100 градусов. Познание явлений, связанных с теплом, привело не только к новой ветви классического физического естествознания — термодинамической, но и позволило ввести и по-новому осмыслить ее такие ключевые понятия как теплота, энергия и их взаимосвязь.

Из всех физических терминов и понятий, пожалуй, самым известным является энергия (от греч. energia — деятельность). Это слово прочно вошло в обиход всех людей, и, естественно, употребляя слово «энергия», большинство не знает, что энергия является одним из самых фундаментальных понятий в физике и что с энергией связаны свойства пространства-времени. Среди множества законов природы своей универсальностью выделяются законы сохранения. Среди них один из самых фундаментальных законов — закон сохранения энергии. Как установили ученые, сохранение энергии связано с однородностью времени, что можно упрощенно и образно представить как неизменность темпа времени в разные моменты его течения.

Открытие закона сохранения энергии связывают с именами нескольких ученых, а именно, считают, что Р. Майер, Д. Джоуль, Г. Гельмгольц, Э. Ленц сформулировали закон сохранения и превращения энергии. Открытию закона сохранения и превращения энергии способствовали экспериментальные и теоретические работы в области тепловых процессов, физиологии и самой физики, что, в конечном итоге, привело к созданию науки, получившей название термодинамика. Одной из таких великих работ является труд французского физика и инженера Сади Карно (1796–1832 гг.) «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Работа Карно и явилась началом термодинамики, предложенный им термодинамический способ решения задач используется и в современной физике. В своей работе Карно практически дал формулировку закона сохранения энергии, используя понятие тепло: «Тепло не что иное, как движущая сила, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тела.» Движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается и не уничтожается.»». С этого момента времени тепло, теплота, тепловая энергия становятся предметом пристального внимания и изучения учеными многих специальностей — физиков, химиков, врачей и т. д.

Физиология того времени также отказывается от таинственных жизненных сил и пытается описать жизненные процессы естественным образом. В 1840 г. петербургский академик Герман Гесс формулирует положение о сохранении количества теплоты, выделяющейся при химических реакциях независимо от способов перехода, если только физическое состояние веществ не изменяется. Это положение означало, что химики уже практически подошли к открытию закона сохранения энергии.

К середине XIX века наука стояла на пороге открытия закона сохранения энергии. Английский физик Джеймс Джоуль (1818–1889) в 1841 г., а российский академик физик и электротехник Эмилий Ленц (1804–1865 гг.) в 1842 г., изучая тепловое действие электрического тока, открывают независимо друг от друга закон о количестве выделяющегося тепла, который получил впоследствии имя Джоуля-Ленца. Более того, хотя Ленц не сформулировал, как таковой, закон сохранения энергии, он неявно этот закон использовал в своих исследованиях. В 1845 г. немецкий врач и ученый Роберт Майер (1814–1878 гг.) написал работу, в которой подробно исследовал различные виды сил (энергий): механическую силу, силу падения (не до конца осознавая, что она является некоторым видом потенциальной энергии), теплоту, электричество, химическую силу. Он составил таблицу всех рассмотренных сил и описал 25 случаев перехода одной формы движения (силы, энергии) в другую, анализируя их на основе закона сохранения. (Кстати, Р. Майер высказал фундаментальную гипотезу о том, что основным источником энергии на Земле является Солнце. С его точки зрения, любое растение является химической лабораторией, в которой происходит преобразование солнечной энергии в химическую. Это явление, получившее название фотосинтеза, было успешно изучено российским ученым Климентием Тимирязевым).

В 1851 г. Майер пишет работу «Замечания о механическом эквиваленте теплоты», в которой, в частности, защищает свой приоритет перед Джоулем в открытии закона сохранения и превращения энергии. Дело в том, что Джоуль, параллельно с Р. Майером и выдающимся немецким ученым-энциклопедистом Германом Гельмгольцем, работал над законом сохранения энергии в экспериментальном плане. Многочисленные опыты Джоуля показали, что механическая энергия превращается в теплоту, и определили механический эквивалент теплоты. Из работ Джоуля следовало, что теплота не является веществом, что она состоит в движении частиц. И в этом месте повествования об энергии поставим простой, даже примитивный вопрос: Что это такое — энергия? Такого же простого ответа дать невозможно.

Энергия существует во всевозможных формах. Есть энергия, связанная с движением (кинетическая энергия); энергия, связанная с гравитационным взаимодействием (энергия тяготения); тепловая, электрическая и световая энергии; энергия упругости в пружинах, химическая энергия, ядерная энергия и, наконец, энергия, которой обладает частица (всякое тело) в силу своего существования — эта энергия пропорциональна массе и рассчитывается по знаменитой формуле Эйнштейна Е = mс² (формула возникла в механике специальной теории относительности Эйнштейна, см п. 4.1).

Итак, существует много видов энергии, и ученые выяснили достаточное количество информации об их взаимосвязи. Например, сейчас мы знаем, что тепловая энергия тела это есть, по сути, кинетическая энергия хаотического движения частиц в теле. Упругая энергия и химическая энергия имеют одинаковое происхождение — электромагнитное взаимодействие между атомами и молекулами. Очевидно, с каждым из четырех видов фундаментальных взаимодействий (гравитационным, электромагнитным, слабым и сильным) можно связать соответствующую энергию, но, вероятно, энергетические соотношения являются даже более универсальными, чем взаимодействия. Эйнштейн считал, что гравитация порождается энергией, в силу того, что энергия эквивалентна массе, а масса ответственна за гравитацию (будет изложено в пп. 4.1 и 4.4). Более того, сильное (оно же ядерное) взаимодействие имеет обменный характер, и, опосредованно, через массы виртуальных частиц, энергия «проникает» и в сильное взаимодействие. Поразительно другое: мы знаем множество разных видов энергии, очевидно, много еще не знаем, но абсолютно уверены в том, что эта величина (энергия) при различных процессах и превращениях в точности сохраняется.

Сравним закон сохранения энергии с законом сохранения электрического заряда. Закон сохранения заряда — наиболее простой и наиболее понятный закон сохранения. Дело в том, что в природе существует минимально возможный (дискретный, квантованный, если угодно) заряд, он равен заряду электрона. Поэтому, если в некоторой системе до взаимодействия был известен суммарный заряд (т. е. число этих минимальных «кирпичиков» заряда), то в процессе взаимодействия сохранение заряда системы просто означает неизменность числа этих «кирпичиков». Для энергии таких «кирпичиков» не существует, но, тем не менее, мы уверены, что во всех мыслимых и немыслимых процессах энергия сохраняется.

Интересный пример использования закона сохранения энергии, даже правильней будет сказать, пример мощи закона сохранения энергии, демонстрирует реакция распада нейтрона на протон, электрон и нейтрино. Сначала думали, что нейтрон превращается в протон и электрон. Но когда измерили энергию всех частиц, оказалось, что энергия протона и электрона меньше энергии нейтрона. Даже великий Нильс Бор засомневался тогда в точном выполнении закона сохранения энергии и предположил, что этот закон сохранения выполняется только в среднем, статистически. Но оказалось правильным другое объяснение. Энергии не совпадают потому, что при реакциях возникает еще какая-то частица (позднее она была названа великим итальянским физиком Энрико Ферми нейтрино), которая и уносит с собой часть энергии. Предположение это высказал австрийский физик Вольфганг Паули и тем самым «спас» закон сохранения энергии.

Вот что говорил о законе сохранения энергии выдающийся американский физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман: «Сохранение энергии — несколько более сложный вопрос: хотя и здесь у нас есть число, которое не меняется со временем, число это не соответствует никакому определенному предмету…».

В самом начале этого параграфа мы сказали, что закон сохранения энергии связан с однородностью времени. Рассмотрим подробнее связь законов сохранения с симметрией пространства-времени. Простейший пример симметрии пространства — симметрия относительно параллельного переноса, сдвига, трансляции. Интересное свойство природы заключается в том, что какое-либо явление, протекающее в определенной точке пространства, будет происходить точно так же в другой точке пространства, куда мы переместим все атрибуты параллельным сдвигом. В частности, из неизменности физических законов при параллельных сдвигах в пространстве следует закон сохранения импульса системы.

Закон сохранения энергии следует из неизменности физических законов при параллельных сдвигах во времени (общее математическое доказательство существования ряда законов сохранения в механике было дано в 1918 г. выдающейся немкой Эмми Нетер). Опыт, проведенный сто лет назад и сейчас, при абсолютно точном повторении условий тогдашнего опыта, должен был бы дать абсолютно одинаковый результат, в этом и заключается симметричность физических законов относительно временных сдвигов. Но нужно помнить, что и сто лет, и тысяча лет — это малая доля времени на фоне космологического времени, отсчитываемого от так называемого Большого Взрыва (от момента возникновения Вселенной, см. п. 4.4 и главу 5). Может быть, симметрия относительно временных сдвигов нарушается, если сдвиги эти были бы большими (например, была бы возможность сравнить идентичные опыты с интервалом времени в 1 млрд. лет, но тогда и человека-то просто еще не было), или если бы эти сдвиги наблюдались бы вблизи «большого взрыва». Оба варианта не осуществимы для проверки, поэтому говорить о нарушениях закона сохранения энергии в связи с неоднородностью времени мы не можем.

Итак, всеобщим законом природы является закон сохранения энергии. Его называют еще первым началом термодинамики. Этот закон подтвержден бесчисленными наблюдениями и опытами как напрямую, так и через разнообразные его следствия.

Виды энергии многообразны. В механике мы знаем два вида энергии — кинетическую и потенциальную. Кинетическая — это энергия движения, потенциальная — энергия положения. В более широком смысле потенциальной называют и энергию состояния. Например, физическая смесь водорода и кислорода обладает потенциальной химической энергией (когда они образуют в результате реакции новое химическое соединение — воду), в сжатой пружине содержится потенциальная упругая энергия и т. д.

Для дальнейшего рассмотрения возможностей образования структур из природных элементов (элементарных частиц, атомов, молекул, планет, звезд, галактик и т. д.), будет существенно понятие об энергии связи в какой-либо механической или физической системе. Ей называют величину, на которую, например, уменьшится энергия системы Земля + метеорит после падения метеорита (Тунгусского или Сихотэ-Алинского), из-за выделившегося тепла, механического разрушения горных пород и тела метеорита и т. д. С энергией связи мы сталкиваемся постоянно, изучая природу. Так, в недрах Солнца, как полагает современная астрофизика и физика термоядерного синтеза, осуществляется (если говорить упрощенно) слияние ядер атомов водорода с образованием ядер гелия и выделением огромной энергии связи в виде кинетической энергии продуктов термоядерной реакции, которая рассеивается в окружающей среде в виде тепла и излучения. В автомобильном двигателе водород и углерод бензина связываются с кислородом — выделяется и превращается в тепло опять энергия связи (в данном случае — химической).

Чем прочнее связь, тем больше выделяется энергии при ее образовании и тем больше, соответственно, потребуется затратить энергии, чтобы эту связь снова разорвать. Образование любых структур всегда связано с выделением и рассеянием энергии связи, то есть всегда связано с диссипацией (рассеянием), общим понижением качества энергии.

Кстати, прежде чем образоваться углерод-кислородным и водород-кислородным связям при сжигании топлива, должны быть разорваны связи между углеродными и водородными атомами в углеводородах бензина, а также между атомами кислорода в его молекуле, на что нужно затрачивать энергию. Но межатомные углеродные и водородные связи в молекулах топлива и связи в молекуле кислорода намного слабее кислородных связей в продуктах сгорания, и затраты гораздо меньше выигрыша. Энергия, затрачиваемая на разрыв связей в компонентах горючей смеси (и на сближение освободившихся атомов с атомами кислорода), называется энергией активации и черпается из теплового движения молекул. Поджигание смеси искрой — это сообщение молекулам необходимой первоначальной энергии активации. Дальше горение поддерживается уже за счет тепла, выделяемого в его процессе. Если бы не необходимость в энергии активации, вещества, способные связываться с выделением энергии (например, органика в земной кислородной атмосфере), вообще не могли бы существовать в соседстве друг с другом.

В урановых ядерных реакторах, с помощью которых уже сейчас производят примерно 15 % электроэнергии в мире, источником энергии служит деление ядер урана. Но, тем не менее, выделяется опять-таки энергия связи: во фрагментах разделившегося ядра урана нуклоны связаны прочнее, чем в исходном ядре, и разница энергий связи и переходит в кинетическую энергию продуктов деления, а затем в тепло.

Водород — основной элемент Вселенной, и синтез гелия из него — основной, первичный, источник энергии для всех наблюдаемых нами процессов. Все наши земные горючие ископаемые и кислород атмосферы — это продукт воздействия на Землю энергии Солнца, которая обусловлена синтезом гелия из водорода. Излучение Солнца разрывает химические связи и запускает сложные цепочки реакций, которые приводят к накоплению потенциальной химической энергии их продуктов.

Резюме

Энергия — физическая характеристика, введенная когда-то учеными, определяет потенциальную возможность системы совершить механическую работу. Это понятие оказалось, наверное, одним из самых важных потому, что все процессы как в живой, так и в неживой природе невозможно описать без этого понятия. Без энергии невозможно существование жизни. Вопрос, связанный с механизмами использования и добычи энергии, относится к энергетике. В процессе жизнедеятельности, в том числе, и при решении энергетических проблем, человечество столкнулось с вопросами несовместимости человеческих потребностей и природных возможностей. Это сложнейшая экологическая проблема современности!

Вопросы для обсуждения

1) Энергия — важнейшая физическая характеристика.

Виды энергии — механическая, тепловая, электромагнитная, гравитационная, ядерная.

2) Закон сохранения энергии и однородность времени.

3) Проблемы энергетики.

Существующие в настоящее время источники энергии: химическая энергия сгорания топлива (газ, нефть, уголь); механическая энергия воды и ветра (гидроэлектростанции и ветровые электростанции); солнечная энергия излучения (солнечные батареи); ядерная энергия (АЭС); в будущем: термоядерная энергия синтеза («горячий» и «холодный» ядерный синтез).

4) Проблемы экологии, связанные с энергетикой.

3.5. Понятие качества энергии, энтропия, второе начало (принцип) термодинамики и принцип минимума производства энтропии

В приведенных выше примерах, во всех реакциях, высвобождающих энергию связи, эта энергия переходит в конечном итоге в теплоту (и отчасти в излучение — в ту его часть, которая уходит в космическое пространство, где она тоже имеет шанс превратиться-таки в тепло). Так что же такое теплота? Теплота — это, по существу, то же, что и кинетическая энергия, но это энергия неупорядоченного, хаотического движения частиц (молекул газа, например). Из наблюдений известно, что переход всех видов энергии в тепло — это наиболее распространенный процесс и в природе и в технике. Так, например, трение присутствует везде, и оно превращает упорядоченное движение тел в хаотическое движение составляющих их молекул, нагревая трущиеся поверхности. При работе любых электрических машин, при передаче электрической энергии по проводам часть ее всегда превращается в тепло.

Переход механической, химической или иной энергии в тепло — необратим. Любой из этих видов энергии рано или поздно самопроизвольно и полностью переходит в тепло. Хаотическое же движение молекул уже нельзя даже с помощью специальных ухищрений полностью преобразовать в какую-либо полезную, связанную с упорядоченным движением, работу, такую как, например, подъем груза на некоторую высоту. Качество энергии понижается в результате перехода ее в тепло.

Из приведенных рассуждений может быть дано определение понятия полезная работа. В термодинамическом смысле полезной следует называть такую произведенную над некоторой системой работу, результатом которой является увеличение порядка в этой системе.

Тепло образуется в большинстве процессов неравномерно, окружающие нас тела нагреты по-разному. Количественная мера степени нагретости тела, которая пропорциональна средней величине кинетической энергии составляющих его молекул, называется температурой. Из определения ясно, что эта температура (которую называют еще термодинамической температурой и измеряют во внесистемных единицах — Кельвинах) не может быть отрицательной и ее минимальное значение — 0. В классическом приближении, без учета квантовых эффектов (см. п. 4.3), существенных при низких и сверхнизких температурах, она соответствует нулевой кинетической энергии беспорядочного движения молекул, и в реальных процессах, последовательными приближениями, достигнута быть не может.

При контакте тел с разной температурой происходит переток тепла от горячего тела к холодному до полного выравнивания температур. При этом, хотя полный запас энергии сохраняется, качество ее понижается. Известно еще со времен Карно, что, имея горячий нагреватель и холодильник, можно построить такую машину, которая позволит часть избыточной (по сравнению с холодильником) тепловой энергии нагревателя перевести в полезную работу, причем эта часть тем меньше, чем меньше разность температур. После выравнивания температур этого сделать уже нельзя. Качество энергии становится ниже. Различие температур разных тел — это тоже элемент упорядоченности, выравнивание температур эту упорядоченность уничтожает.

Переход потенциальной и кинетической энергии упорядоченного движения или расположения в тепло, а затем выравнивание температур — это переход системы из состояния менее вероятного в состояние более вероятное. Такие процессы протекают самопроизвольно при отсутствии внешних воздействий на систему.

Вот эту направленность всех самопроизвольно протекающих процессов в сторону увеличения вероятности состояния системы и понижения качества энергии — их необратимость — и называют иногда вторым началом термодинамики. Второе начало термодинамики в различных формулировках было дано еще до появления понятия энтропии, о котором будет сказано ниже. Формулировки второго начала (для краткости опуская слово «термодинамики» здесь и в дальнейшем, как это принято в физической литературе) относились первоначально к изолированным системам.

Так, немецкий физик, один из основателей термодинамики, Рудольф Клаузиус (1822–1888 гг.), утверждал, что «теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому». Его английский коллега Уильям Томсон (барон Кельвин) сформулировал принцип Карно и дал такое толкование второго начала: «невозможно существование такой тепловой машины, которая производила бы путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания теплоты суши и моря». (Дополнительные уточнения формулировок и сути второго начала термодинамики сделаем после введения понятия энтропия.)

Обратные процессы, переводящие систему из более вероятного состояния в менее вероятное, самопроизвольно не протекают. Такие процессы могут быть возможны только при определенном, специфически организованном подводе энергии из какого-либо внешнего источника. С такими процессами человек познакомился с изобретением паровой машины — первой машины, для преобразования хаотического движения в организованное — именно, тепла в работу. Как уже упоминалось, Карно доказал, что такое преобразование не может быть полным — часть тепловой энергии обязательно должна быть диссияирована, рассеяна (отдана холодильнику). Отсюда следует еще такой кельвинский вариант формулировки второго начала термодинамики: невозможен процесс, единственным результатом которого было бы поглощение теплоты от нагревателя и полное преобразование этой теплоты в работу.

Итак, второе начало термодинамики позволяет разделить все процессы на естественные — переход работы в тепло, самопроизвольный переток тепла от горячего тела к холодному — и на противоестественные.

Далее мы рассмотрим достаточно сложные в естествознании понятия энтропии, энтальпии, негэнтропии, свободной энергии, характеризующие тепловые или термодинамические процессы, процессы обмена энергией, веществом в больших природных системах, отнеся вопросы энергетики в живых системах в раздел о концепциях и принципах биологического естествознания, (глава 9). Знание таких понятий и процессов необходимы для понимания явлений химического и биологического типов, характеризующихся, практически на всех стадиях своего развития, самоорганизацией и эволюцией. В некоторых случаях мы будем употреблять для иллюстрации формулы, которые нет необходимости запоминать.