Страницы истории науки и техники
Шрифт:
Теперь Советский Союз не одинок. Образовалось содружество социалистических стран, единственной целью которых является счастье народов, предотвращение новой войны, сохранение и укрепление мира, построение нового общественного строя, о котором веками мечтало все прогрессивное человечество, — коммунизма.
Глава шестая
Естественные науки и техника
Может ли механика
объяснить все явления
природы?
Со времен Галилея и Ньютона до начала XX в., т. е. около трех столетий, большинство ученых было убеждено, что все науки о природе в конце концов могут быть сведены к механике, что законы механики в конечном итоге являются всеобъемлющими, тотальными, что механика является, гак сказать, наукой наук. Такому представлению в большой мере содействовали идеи Коперника, Галилея и особенно
294
Цит. по: Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики, М. 1965.
Развитию механистического представления в науке в большой мере содействовало создание кинетической теории тепла, о существе которой будет сейчас кратко сказано. Необходимо заметить только, что кинетическая теория тепла была и остается (так же как и сама классическая механика Ньютона) одним из крупнейших достижений науки.
Начать рассказ придется издалека. Теперь хорошо известны такие понятия, как теплота и температура. Известно также, что это далеко не одно и то же. Часто для того, чтобы лучше объяснить, что представляют собой теплота и температура, их сравнивают соответственно с количеством воды и уровнем, на котором вода находится. Действительно, вода никогда сама по себе (например, без помощи насоса) не потечет от уровня более низкого к уровню более высокому, а теплота (это установлено опытом) не будет сама по себе переходить от тела менее нагретого, т. е. имеющего меньшую температуру, к телу более нагретому, имеющему большую температуру.
Приведенная аналогия оказалась настолько удачной, что, может быть, отчасти поэтому долгое время под теплотой понимали некоторую якобы существующую невесомую субстанцию — теплород, имеющую способность «перетекать» от более нагретых тел к менее нагретым. О теплороде выше уже говорилось. Существование теплорода неоднократно подвергалось сомнению. Как об этом тоже уже говорилось, одним из первых, кто высказал отрицательное мнение о существовании теплорода, был великий русский ученый Ломоносов, давший также правильное с современной точки зрения представление о существе теплоты, о чем подробнее речь будет идти немного ниже.
На первый взгляд может показаться, что опыт с образованием тепла в результате трения (например, двух кусков дерева друг о друга, как делали первобытные люди, чтобы добыть огонь) является смертным приговором теплороду. Но на самом деле это не совсем так: если бы удалось доказать, что в результате трения изменяются свойства трущихся веществ (их теплоемкость), то смертный приговор теплороду пришлось бы, но крайней мере, отсрочить. Решающим наблюдением, возвестившим об ошибочности теории теплорода, было наблюдение известного американского естествоиспытателя и политического деятеля графа Бенджамина Румфорда (1753–1814), сделанное им в 1798 г. Предоставим слово автору наблюдения — Румфорду: «Недавно, будучи обязанным наблюдать за сверлением пушки на заводах военного арсенала в Мунче, я был удивлен очень значительной степенью теплоты, которую приобретала медная пушка за короткое время сверления; еще интенсивнее (гораздо интенсивнее, чем теплота кипящей воды, как я обнаружил опытом) была теплота металлических стружек, отделенных от пушки при сверлении…
Откуда приходит теплота, фактически произведенная в вышеупомянутом механическом процессе?
Доставляется ли она металлическими стружками, которые отделяются при сверлении от твердой массы металла?
Если бы это было так, то, согласно современному учению о скрытой теплоте и о теплороде, теплоемкость их не только должна была измениться, но само изменение это должно быть достаточно велико, чтобы объяснить всю произведенную теплоту.
Но никакого такого изменения не было; я обнаружил это, взяв равные по весу количества этих стружек, а также тонких полосок той же самой металлической болванки, отделенных мелкой пилкой, и положив их при одинаковой температуре (температуре кипящей воды) в сосуды с холодной водой, взятой в одинаковых количествах (например, при температуре 59,5° по Фаренгейту [295] ); вода, в которую были положены стружки, судя по всему, но нагревалась больше или меньше, чем другая часть воды, в которую были положены полоски металла.
295
Температурная шкала Фаренгейта (F) взята из условия, что температура таяния льда при атмосферном давлении принята равной +32° F, а температура кипения воды также при атмосферном давлении принята равной 212° F. Следовательно, t° С = 5/9 (t° F — 32) и 59,5° F = 15,3 °C.
Обсуждая этот предмет, мы не должны забывать учета того самого замечательного обстоятельства, что источник теплоты, порожденный трением, оказался в этих экспериментах явно неисчерпаемым…
Совершенно необходимо добавить, что это нечто, которое любое изолированное тело или система тел может непрерывно поставлять без ограничения, не может быт:, материальной субстанцией; и мне кажется чрезвычайно трудным, если не совершенно невозможным, создать какую-либо точную идею о чем-то, что в состоянии возбуждаться и передаваться подобно тому, как возбуждается и передается в этих экспериментах теплота, если только не допустить, что это что-то есть движение» [296] .
296
Цит. по: Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики, с. 39–40.
Рис. 35. Схема опыта Джоуля.
1 — медный сосуд, заполненный водой; 2—мешалка с лопатками; 3 — блок; 4 — груз весом в; 5 — неподвижные лопатки.
Итак, из простых и ясных опытов Румфорда следует, что теплорода не существует, а теплота есть движение. Спустя почти 50 лет после опытов Румфорда немецкий естествоиспытатель, врач Юлиус Роберт Майер (1814–1878) сформулировал (в 1842 г.) закон эквивалентности механической работы и теплоты. Другими словами он первым сформулировал закон сохранения энергии. А в 1843–1850 гг. английский естествоиспытатель, пивовар Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) опытным путем с высокой степенью точности установил механический эквивалент тепла: 427 кгс · м/ккал. Последующие эксперименты внесли небольшую поправку к величине механического эквивалента тепла, найденного Джоулем, которая теперь принимается равной 426,935 кгс · м/ккал. На рис. 35 представлена схема опыта Джоуля. Существо опыта следующее. Груз G, падая с высоты h, производит механическую работу Gh. Вся эта работа расходуется на трение между лопастями приводимой во вращение мешалки 2 и водой, заполняющей сосуд 1. Тепло, приобретенное водой, определяется по повышению ее температуры. Очевидно, что искомое значение механического эквивалента тепла J может быть определено по уравнению
где Gh, кгс м — механическая работа, L, кгс — вес воды в сосуде 1, ккал/кгс-°С — весовая теплоемкость воды, близкая к единице; t, °С — повышение температуры воды.
В дальнейшем было установлено, что механическая и тепловая энергия — две формы энергии из большого числа возможных ее форм. В частности, кроме механической и тепловой энергии, существуют: химическая энергия, которой обладает, например, любое Органическое топливо, выделяющее при сжигании теплоту; ядерная (атомная) энергия — внутренняя энергия атомных ядер, освобождающаяся в виде теплоты в результате ядерных реакций; электромагнитная энергия, о которой речь будет ниже.
XVIII–XIX вв. были установлены два, как тогда полагали, независимых друг от друга закона сохранения: закон сохранения массы и закон сохранения энергии, — согласно которым масса и энергия изолированной системы неизменны. Это долгое время считавшееся незыблемым представление классической физики претерпело изменения, связанные с теорией относительности. Об этом будет сказано позднее.
Отказ от теории теплорода, естественно, включил в повестку дня вопрос о сущности теплоты. Мы уже касались этого вопроса. Согласно кинетической теории тепла, тепловая энергия есть не что иное, как сумма энергий мельчайших частиц: молекул, атомов, электронов и др. В газе, например, представляющем собой совокупность мельчайших частиц, находящихся в беспорядочном, хаотическом движении, энергия каждой из частиц определяется скоростью ее движения (ее кинетической энергией, причем принимается в расчет поступательное и вращательное движение, а также колебательное движение атомов в молекулах) и положением в отношении других частиц (ее потенциальной энергией), Тепловая энергия рассматриваемого газа в целом, согласно сказанному выше, есть сумма энергии (кинетической и потенциальной) всех единичных мельчайших частиц.