Концепции зрелой классической физики и мировоззренческие споры.

К началу XIX в. математическая физика стала бесспорным ли­дером естествознания. Ее ведущие понятия и принципы станови­лись идеалом даже для гуманитарного знания. Так, французский социальный мыслитель Сен-Симон вынашивал проект создания теории морали на основе социально осмысленного закона всемир­ного тяготения. Эта и другие идеи хорошо гармонировали с пред­полагаемой в будущем «социальной физикой». Однако и сама фи­зика стояла перед серьезными проблемами.

3.1. От силы к энергии. Закон сохранения энергии.Через флюидную концепцию механицизм начал историю своей компро­метации. Но такая дискредитация началась только в химии (фло­гистон) и в начале XIX в. она еще не коснулась физических флюи­дов (теплород и т.д.). Влияние механики усиливалось и по другим каналам. Ее ядро — понятие силы — обрело мощную экспансию и стало стремительно распространяться на все разделы физики. Лек­сикон ученых пестрел обилием «сил»: «сила тока», «магнитная сила», «сила света», «электродвижущая сила» и т. д. «Силовой» стиль мышления перекинулся и за пределы физики – «химическое срод­ство» как сила, «жизненная сила» и т. п.

Вечный двигатель невозможен. И все же в недрах самой физики вызревала здоровая альтерна­тива универсальному образу силы. Речь идет о понятии энергии, которое вышло из раздвоения представления о силе. Внешний двигатель Аристотеля Ньютон заменил силой, импетус же Декарт преобразовал в им­пульс как количество движения. Но достаточно ли этого понятия для выражения всей «внутренней движущей силы?» Отрицатель­ный ответ дал голландский физик X. Гюйгенс (1629-1695). Случаи падения и поднятия тел, упругий удар, колебания физического ма­ятника требуют дополнительного образа типа: «центр тяжести ма­ятника не может подняться выше начального уровня». Данную фор­мулировку закона сохранения энергии, дающую его в частном виде, он использовал в качестве принципа запрета: «вечный двига­тель нельзя построить механическими средствами».

Образ монады и «живая сила».Важный вклад внес Лейбниц. Согласно его философии сущность мира представлена множеством монад, которые являются некими нематериальными атомами. Каж­дая монада выступает центром деятельной силы, направленной из­нутри вовне. Декартовское понятие количества движения (mv, где m – масса тела, v – скорость движения) выражает лишь ее воз­можности и начальное действие. Это следует оценить как «мерт­вую» силу, которая переходит в силу «живую» (mv²). Закон сохра­нения живой силы означает, что она не может исчезать и возникать. Понятие живой силы и принцип ее сохранения быстро вошли в оборот физики XVIII в.

Паровая машина и понятие работы. XVIII в. дал новый тип машины: паровой водоподъемник англи­чанина Ньюкомена, паровую машину русского изобретателя И. И. Ползунова и англичанина Д. Уатта. Этой машине капитализм обес­печил массовое применение. Обобщив формы действия разных машин, французский инженер Л. Карно в 1783 г. ввел понятие ра­боты («момент деятельности»). Тер­мин «работа» стал употреблять французский инженер и геометр Ж. В. Понселе (1788-1867).Его соотечественникС. Карно (1793-1832) смоделировал действие машины, превращающей теплоту в механическую работу. В циклическом процессе «теплород» переходит от нагревателя к холодильнику. За счет этой разницы температур и совершается работа. Обратные процессы, когда механические процессы (тре­ние) ведут к выделению теплоты, исследовали американец Б. Том­псон и англичанин Г. Дэви.

Физические открытия делают гениальные дилетанты. Впервой половине XIX в. в центре физических исследований оказались взаимопревращения разных форм движения или «сил». Это касалось не только механических действий и теплоты, но и хи­мических, тепловых, световых и пондермоторных действий элек­трического тока, взаимодействия электричества и магнетизма. На­зревало фундаментальное обобщение. Одним из первых к нему пришел немецкий врач и физиолог Р. Майер (1814-1878). Его за­интересовал тот факт, что кровь, взятая из вены у людей, живущих в тропиках, имеет более яркий цвет, чем у людей, живущих в Евро­пе. Майер объяснил его различием в разности температур челове­ческого тела и окружающей среды. Дальнейшие и более широкие размышления привели его в 1841 г. к выводу о том, что «силы», пре­вращаясь друг в друга, меняются качественно, но количественно они остаются неизменными («неразрушимыми»). И если теплота и механическое движение переходят друг в друга при наличии точ­ного механического эквивалента теплоты, то теплород и другие не­весомые жидкости нужно изгнать из науки о природе.

В 1843 г. независимо от Майера к открытию закона сохранения энергии пришел англичанин Д. П. Джоуль (1818-1889).Он иссле­довал факты выделения теплоты электрическим током в его раз­личных формах. Установление механического эквивалента тепло­ты (424 кГм/ккал) обусловило открытие закона сохранения энер­гии. «Живая сила» и теплота превращаются друг в друга и здесь ничего не теряется.

Немецкий врач и физиолог Г. Гельмгольц (1821-1894) изучал преобразования различных сил в живом орга­низме. Сначала он исследовал превращения «живой силы» (кине­тической энергии) в «силу напряжения» (потенциальную энергию) и обратно, затем превращения механического движения в теплоту и электрического тока в теплоту. Также был объяснен закон элек­тромагнитной индукции. Общим выводом стал закон сохранения энергии. В современной формулировке он звучит так: движение и энергия не возникают из ничего и не исчезают бесследно, они лишь переходят из одной формы в другие. Для любого физического про­цесса общая энергия системы и ее окружения всегда остается пос­тоянной.

Примечательно, что Майер и Гельмгольц – врачи, а Джоуль – инженер. Эти дилетанты в физике и открыли фундаментальный закон. Не случайно, что их статьи не принимали редакторы физи­ческих журналов, мотивируя свой отказ преобладанием полуфило­софского содержания. Революционное открытие не смогли бы сде­лать ученые с узко физическим мышлением. Широкое мировоззре­ние с его открытостью для нового сыграло здесь исключительно положительную роль. Если Джоуль апеллировал к Творцу, создав­шему силы природы неразрушимыми, то Майер как материалист указывал на способность природы к качественным превращениям и количественному сохранению своих сил. Гельмгольц также пред­почитал говорить о силах природы как таковой.

Физика и диалектический материализм Ф. Энгельса.Новые открытия физики существенно повлияли на формирование такого философского направления как диалекти­ческий материализм. Немецкий философ и социалист Фридрих Энгельс (1820-1895) подчеркивал, что за­кон сохранения и превращения энергии стал важным звеном диалектичес­кой картины природы как связного целого. Материя находится в состоянии вечного движения. Формы ее движения разнообразны, взаимосвязаны и превращаются друг в друга. Энергия выступает количественной характеристикой физико-химических форм дви­жения. Такие диалектические выводы, полагал Энгельс, разруша­ют метафизическую, т. е. одностороннюю и упрощенную концеп­цию природы, ядром которой стал механицизм.

3.2. «За» и «против» атомизма в науке. Австрийский физик Мах провел ту мысль, что атомизм лишен всяких опытных оснований и представляет собой результат незаконного вторжения материалистической философии в физи­ку. Ненужным костылем Мах считал ньютоновское понятие массы, определенное через идею атома. Он полагал, что возможности избежать этого «химерического» образа су­ществуют. В 1851 г. французский физик Сен-Венан показал, что можно ввести понятие массы без привлечения атомистики. Критике была подвергнута и термодинамика в форме статисти­ческой физики. По мнению Маха, флюидная концепция оставила отрицательный след в виде модели движения атомов. «Современ­ное представление о теплоте как о движении столь же мало сущес­твенно, как и прежнее представление о веществе». Причина тако­го положения состоит в том, что термодинамика взяла идеалы ато­мистической механики, которые не соответствуют специфике теп­лоты. Мах полагал, что с атомизмом связана вредная умозритель­ная идея дискретности (прерывистости), никак не подтверждаемая чувственными данными. Эмпирический опыт убеждает в справед­ливости другого вывода – «природа не делает скачков». Общее за­ключение Маха свелось к одному: атомизм как форму физическо­го материализма следует изгнать из всех разделов физики.

Отношение ученых к махизму было разным. Одни приняли его пол­ностью, другие отнеслись критически, а некоторые, не соглашаясь с Махом в главном, видели его правильность в критике механициз­ма и догматизма. В ньютоновском понятии массы Мах нашел дей­ствительно слабое и ошибочное место – масса тела всегда посто­янна, так как атомы неизменны. Специальная теория относитель­ности показала, что инертная масса зависит от скорости движения тела. Но это не только не подорвало позиции атомизма, но и значи­тельно их укрепило. Догма о неизменных атомах уступила место идее изменчивых материальных микрообъектов. Мах ратовал за единственность кинематического подхода к массе, но не учел того, что он отражает один из восьми общих признаков массы. Это мно­гообразие форм (инертная, гравитационная и т. д.) он игнорировал. Масса как мера количества микрообъектов в теле сохраняет свое значение и в современной физике.

Принципиальным критиком махизма был австрийский физик Л. Больцман (1844-1906). По его мнению, эмпирики чрезмерно любят наготу природы в виде голых ее фактов, но существует и внутренняя красота ее законов. Они и являются пред­метом деятельности теоретика. Если эмпирик находится в рабстве у фактов, то в теории ученый обязан свободно владеть фактами, объясняя и предсказывая их. Эту линию поддержал немецкий физик М. Планк (1858-1947). Он полагал, что Мах стал универсальным отрицателем-скептиком, «ниспровергая вместе с механистическим миросозерцанием всякое физическое миросозерцание». Создавая теорию, ученый должен иметь некоторое мировоззрение, дающее ему необходимые идеи. Ценным физическим миросозерцанием и является атомизм.

В развитии самой атомистики были слабые места и серьезные трудности. Так, далеко не все химики в начале XIX в. отдавали пред­почтение молекулярной концепции, так как она противоречила весьма авторитетной электрохимической теории шведского учено­го И. Я. Берцелиуса (1779-1848). Согласно последней, каждый атом имеет положительный или отрицательный заряд. Электрическая сила, действующая между атомами с противоположными заряда­ми, выступает причиной химических соединений элементов. Но, по теории Берцелиуса, объединение в общую молекулу атомов одно­го и того же химического элемента невозможно. Несовместимость электрохимической теории и молекулярной гипотезы привела хи­мию к 1840-м гг. к путанице: для одного и того же химического вещества существовало несколько формул, предлагались разные значения атомных весов и т.д. Все это вызывало у некоторых ис­следователей подозрение в реальном существовании атомов. Так, французский химик Ж. Б. А. Дюма пришел к выводу о том, что атом­ная теория выражает пройденный этап в развитии химии и нужен поиск другой программы. И она была предложена энергетизмом.

Концепция энергетизма.Это направление стало формироваться к 80-м годам XIX в. К этому времени понятие энергии вошло в структуру физи­ческого знания и в 1887 г. немецкий ученый Г. Гельм заявил, что всю физику надо перестроить на основе понятия энергии. Ведущи­ми законами природы следует считать закон сохранения энергии и некоторое обобщение второго закона термодинамики. Эту линию продолжил немецкий химик В. Ф. Оствальд (1853-1932). Он выдви­нул цель – «построить миросозерцание исключительно из энерге­тического материала, совершенно не пользуясь понятием мате­рии». В активе энергетизма не было общего понятия энергии, зато фигурировали «особые сорта энергии». Поэтому он был бессилен в деле теоретического синтеза разнообразных явлений. Больцман указывал, что энергетика считает разные формы энергии качес­твенно различными; «единая энергия, объединяющая живую силу и тепло, является для нее чуждой». Оствальд ввел три вида энергии, за­висящие от расстояния, поверхности и объема. И если первые две зависимости еще могли найти физико-химический смысл, то «объ­емная энергия» была явной фикцией, так как энергия идеального газа не зависит от объема, а зависит только от температуры.

3.3. Второй закон термодинамики: статистичность и стрела времени.В середине XIX в. англичанин В. Томпсон (1824-1907) и немец­кий физик Р. Клаузиус (1822-1888) углубили основы термоди­намики. Они дали общее математическое выражение второго за­кона термодинамики: «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому не может иметь места без компенсации». В качестве особой функции Клаузиус ввел меру способности теплоты к пре­вращению и дал ей название «энтропия» (греч. en - в, внутрь; trope - поворот, превращение). До тех пор, пока тепло, сообщенное системе извне, не распределится в ней совершенно равномер­но, энтропия системы возрастает. В равновесном состоянии она до­стигает максимального значения.

К новому закону многие ученые отнеслись критически, так как из него следовали необычные и странные выводы. Здесь утвержда­лась односторонность физических процессов, которой в механике не было. Во всякой изолированной системе процессы должны про­текать в направлении постепенного превращения всех видов энер­гии в теплоту при одновременном уравнивании температурных разностей. Кроме того, если теплота, в конечном счете, сводится к механическому движению атомов и молекул, то с точки зрения ме­ханики оно должно быть обратимо и это противоречит сути второ­го закона термодинамики. Встала настоятельная проблема обосно­вания данного закона. Попытки ученых пересмотреть тезис Клаузиуса – «энтропия отдельных систем и мира в целом стремится к максимуму» – оказались неудачными. Более перспективным ока­залось направление, развивавшее атомно-молекулярную модель с применением вероятностно-статистических представлений.

Статистический метод.Этот подход родился в XV в. вместе с идеей бухгалтерского ба­ланса, когда нормальное ведение торговых дел стали трактовать как равенство прихода и расхода. Постепенно этот формальный прием контроля правильности бухгалтерских записей вырос в новое, ста­тистическое понимание мира как огромной совокупности балансов. Сначала представление о балансе (лат. bilanx – чашечные весы) было чисто механическим и его развитие привело к ряду физичес­ких принципов сохранения. Общенаучным методом баланс стал тогда, когда ученый перестал интересоваться детальным содержа­нием чашек весов, когда стала законной любая процедура, приво­дящая к выравниванию стрелки весов. В естествознании пошла речь о балансе сил природы, в политических науках – о равнове­сии властей.

Понятие вероятности в социокультурном контексте.Конец XVIII и начало XIX вв. стали временем важных и быст­рых перемен (французская революция, образование США, взлет и падение Наполеона Бонапарта). Соответственно усилилась потреб­ность в статистическом прогнозе, и ответом на нее стала теория ве­роятностей, разработанная Лапласом и Гауссом. Баланс, равнове­сие они стали трактовать в виде результата игры разнородных слу­чайностей. В 1845 г. А. Кетле выпустил книгу, где теория вероят­ностей применена к социально-политической проблематике и где центральное место заняло понятие «среднего человека». Британс­кий ученый Дж. Гершель в 1850 г. опубликовал обзор этой книги в одном из научных журналов, где он попытался дать строгое доказа­тельство закона ошибок. Прочитав данную рецензию, английский исследователь Д. К. Максвелл (1831-1879)решил применить тео­рию вероятностей к физике. В 1860 г. он вывел закон распределе­ния скоростей газовых молекул. Его математическая форма оказа­лась такой же, как и у закона распределения результатов измере­ний по величине их ошибки. Здесь описывается общая функция перехода к состоянию статистического равновесия.

Атомизм как основа термодинамики.Основы кинетической теории газов были заложены немецким физиком А. Кренигом. В статье 1856 г. он рассмотрел газ как сово­купность упругих шариков - атомов, движущихся хаотично в пус­том пространстве. Траектория отдельного атома не поддается ни­какому расчету, но совокупное движение соответствует вероятнос­тным законам. Клаузиус усовершенствовал модель идеального газа и вывел ряд уравнений движения молекул. Максвелл предсказал независимость коэффициента внутреннего трения от давления газа, что подтвердилось экспериментально. В 1873 г. голландский физик Ван-дер-Ваальс разработал первую теорию реальных га­зов, в которой учитывались размер молекул и силы, действую­щие между ними. На ее основе были определены размеры моле­кул, их число в единице объема. И все же проблема установления связи атомно-молекулярных моделей со вторым началом тер­модинамики оставалась актуальной. Ее решение принадлежит Больцману.

Статистическая интерпретация второго закона термоди­намики.Сначала Больцман, подобно другим ученым, пытался вывести второе начало из общих принципов механики, не обращаясь к тео­рии вероятности. Для обратимых процессов это получилось, но все попытки с необратимыми потоками оказались безуспешными. Пос­тепенно у Больцмана окрепло убеждение в чисто статистической природе второго закона, и в работе 1875 г. он ставит окончатель­ную точку. Вследствие огромного числа молекул, составляющих тела макроскопических размеров, чрезвычайной быстроты и бес­порядочности их движения физик может наблюдать лишь средние значения. Вычисление же средних значений является главной за­дачей теории вероятности.

Вероятностный подход или Н-теорема.В упрощенном виде ход рассуждений Больцмана был таким. Все состояния частиц газа равновероятны и определенному термоди­намическому состоянию системы соответствует определенное чис­ло микросостояний (Z). Тогда термодинамическая вероятность мак­росостояния W равна Z. Определим, какое термодинамическое состояние имеет наибольшую вероятность. Решение этой задачи при­водит к функции распределения Максвелла, что соответствует тер­модинамическому равновесию. Энтропия S равна величине Н, взя­той с обратным знаком, которая пропорциональна логарифму тер­модинамической вероятности. Отсюда следует, что стремление газа к состоянию с максимальной энтропией есть движение к на­иболее вероятному состоянию. Эта теория получила название Н-теоремы.

S = – Н= k InW, где k – постоянная Больцмана.

Примечательно, что энтропию как макроскопическую величи­ну Больцман выразил через микрохарактеристику, ибо W оцени­вается через число микросостояний, соответствующих определен­ному макросостоянию. Второй закон термодинамики получил обос­нование в статистической природе микромира.

Образ статистической закономерности вместо лапласовского детерминизма.В конце XIX в. Н-теорема стала центром научной полемики. За чисто физическими аргументами угадывалось традиционное миро­воззрение, связанное с механикой. П. Лаплас выразил общее мнение исследователей классической эпохи о том, что законы природы суть глубокие, но простые и необходимые связи. Для их действия до­статочно любых двух материальных тел. Случайности существуют лишь в мире фактов, где проявляются динамические законы и в своем многообразии создают сложные статистические эффекты. Математическая механика стала успешно изучать динамические законы посредством выяснения у движущихся тел их начальных пространственных координат и скоростей. На этом пути не существует принципиальных барьеров. Прогресс науки будет расширять круг тел с известными начальными условиями и широкая система уравнений способна дать точные значения будущих состояний тел. То, что сейчас кажется случайным, ученые в будущем сведут к знанию множества необходимых законов. Эти рассуждения и получили название «лапласовский детерминизм».

И вот лапласовский оптимизм был поставлен под сомнение. Термодинамика, начиная с кинетической теории газов, стала утвер­ждать иной тип закономерности – статистический закон. Для него требуется огромное количество объектов (атомы, молекулы) и предполагается сущностный беспорядок. В то время как в механи­ке начальное состояние задает определенный порядок последую­щего движения, в статистическом законе случайности выступают не в роли фактора, отклоняющегося от необходимости, а в качест­ве внутренней причины, формирующей сам закон в виде некото­рой средней и общей тенденции. Познание здесь возможно только в форме вычисления вероятностей и знание будущих следствий всегда будет неоднозначным. Принять новую концепцию для большинства ученых было мучительно трудно, так как лапласовс­кий детерминизм уже стал прочной традицией.

Спекулятивная догадка становится научной теорией.В самом начале XX в. идеи Больцмана начинают утверждаться. На них возникает квантовая теория излучения, появляется «Статистическая механика» Гиббса, снимаются многие возраже­ния против Н-теоремы. В 1905-1906 гг. А. Эйнштейни М. Смолуховский (1872-1917) указали на возможность использо­вания факта броуновского движения для подтверждения атомной гипотезы. Броуновскую частицу можно рассмотреть как простую молекулу в состоянии теплового движения. Математически выве­денная молекулярная постоянная совпала с опытными данными, что стало прямым экспериментальным подтверждением атомно-молекулярной концепции. Другое экспериментальное доказатель­ство дали опытные исследования группы французского физика Ж. Перрена, изучавшей распределение по высоте взвешенных в жидкости частичек. Все это вынудило противников атомизма ме­нять свою позицию. В 1908 г. Оствальд писал, что атомистическая теория стала научной после экспериментальных доказательств.

Гипотеза тепловой смерти Вселенной.Если тепловая энергия рассеивается по мировому пространст­ву, то температура выравнивается на низком уровне. В 1852 году В. Томпсон на основе второго закона термодинамики сделал ряд ми­ровоззренческих выводов. В необратимых процессах теплопровод­ности у изолированных систем механическая энергия не восста­навливается, постепенно все виды энергии превращаются в тепло­ту при одновременном выравнивании разностей температур. Хотя количественно энергия сохраняется, с течением времени ее качес­тво ухудшается, она лишается способности к превращениям, вклю­чая совершение работы. Все наблюдаемые явления природы текут необратимо, стало быть, везде в природе происходит «рассеяние энергии» и Вселенная идет к «тепловой смерти». Энтропия конечного состояния Вселенной максимально вероят­на. Позднее и Клаузиус посчитал возможным применить оба закона термодинамики ко всей Вселенной: 1) энергия мира постоянна; 2) энтропия мира стремится к максимуму. Он также пришел к за­ключению о неизбежности тепловой смерти.

Тепловая смерть — это и есть начало страшного суда. Вывод о тепловой смерти хорошо вписывался в религиозное учение о со­творении и конце мира. Если он вполне удовлетворял верующих естествоиспытателей, то атеисты и материалисты подвергли его критике. Они указывали, что гипотеза тепловой смерти противо­речит «духу» закона сохранения энергии, утверждающего неуничтожимость движения. Вот почему главным предметом сомнения стала всеобщность второго закона, применимость его ко всей Все­ленной.

Критика Больцмана. В начале австрийский физик подчеркивал то, что второе начало относится к области теории вероятности, законы которой с непреложностью выполняются в лабораторном эксперименте и делают проблематич­ным их применение ко всему космосу. Но в дальнейшем он разра­ботал флуктуационную гипотезу. Предположим, что вся Вселенная пребывает в тепловом равновесии. Вероятность того, что какая-то одна ее часть (допустим наш мир) может отклониться (лат. fluctuatio - колебание) от общего состояния, существует. И эта вероят­ность тем больше, чем больше сама Вселенная. Когда наш мир бу­дет приближаться к равновесию, другой мир как часть Вселенной выпадет из общего состояния благодаря самопроизвольной флук­туации.

Другие аргументы против тепловой смерти Вселенной. Возра­жения против гипотезы Больцмана сводились к тому, что вероят­ность громадной флуктуации очень мала. Но если учитывать влия­ние гравитационных полей и релятивистские эффекты, то это су­щественно повышает значение такой вероятности. Существуют и другие научные подходы, которые ставят крест на идее тепловой смерти. Такой вывод неизбежен, если применять термодинамику на основе теории относительности к Вселенной. Таким образом, современные физические концепции не дают основания для кос­мического пессимизма.