Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

В первой половине XIX столетия в результате проводившихся тогда исследований ученые пришли к выводу, что теплота является жидкостью. Однако в самом начале столетия они стали обнаруживать все больше и больше свидетельств, указывающих на то, что теплота является не жидкостью, а формой движения.

Например, в 1798 году Бенджамин Томпсон, граф Румфорд (1753–1814), английский изгнанник из Соединенных Штатов, работал в арсенале и занимался сверлением орудий на службе у курфюрста Баварии. Он обратил внимание на тот факт, что при сверлении орудийных стволов выделяется количество теплоты гораздо больше расчетного. И орудие, которое сверлят, и используемый для сверления инструмент перед началом работы находились при комнатной температуре, однако теплота, которая возникала в процессе сверления, была вполне достаточной, чтобы через некоторое время довести воду до кипения; и чем дольше продолжался процесс сверления, тем большее количество теплоты выделялось. Создавалось впечатление, что орудие и инструмент обладают неистощимым запасом теплоты.

Если теплота была жидкостью и, таким образом, формой материи, то предположить, что она была сформирована в процессе сверления, было бы достаточно трудно. К тому времени французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) уже открыл закон сохранения материи, согласно которому материя не может быть ни создана, ни разрушена; и все большее количество ученых того времени полагали, что это обобщение имеет силу. Если действительно произошло возникновение теплоты, то она должна быть чем-то другим, а не материей. Как показалось Румфорду, наиболее вероятной возможностью было то, что движение сверлящего инструмента по металлу орудия было преобразовано в движение мелких частей как сверла, так и сверлимого металла и что это внутреннее движение представляло собой теплоту.

В течение нескольких последующих десятилетий такая точка зрения на теплоту в значительной степени игнорировалась учеными. Предположение о том, что маленькие части объекта могли бы незримо перемещаться, казалось в 1800 году столь же трудным для восприятия, как предположение о создании материи, а возможно, даже и более трудным. Однако через десятилетие после экспериментов Румфорда была выдвинута и стала набирать популярность атомная теория. Под «внутренним движением материи» теперь стали понимать движение или колебание атомов и молекул, составляющих эту материю, а предположение о непрерывности такого движения стало более приемлемым. В 1840-х годах эксперименты Джоуля по преобразованию работы в теплоту расширили и углубили наблюдения Румфорда и, как результат, закончились победой атомного представления о тепловом движении. Ну и наконец, в 1860-х годах Максвелл и Больцман окончательно утвердили кинетическую теорию газов и концепцию теплоты как формы движения, на атомном уровне.

Это отнюдь не подразумевало, что законы термодинамики, установленные на основе жидкостной теории теплоты, оказались ложными. Нисколько! Законы были основаны на наблюдавшихся явлениях, и они остались имеющими силу. Изменились лишь теории, которые объясняли, почему они имеют силу. Жидкостная теория теплоты, что и говорить, объясняла эти явления с достаточной аккуратностью[76], но атомная теория движения смогла объяснить, кроме того, и все то же, что и жидкостная теория теплоты, чем доказала также свою способность выступать как устойчивая основа для законов термодинамики, основанных на наблюдениях и экспериментах.

Безусловно, представление о теплоте как об атомном движении несколько более трудно для восприятия, чем представление теплоты как жидкости. В последнем случае мы можем думать о таких знакомых объектах, как водопады; в первом же лучшее, что мы можем представить, — это набор совершенно упругих бильярдных шаров, подпрыгивающих в относительно прочно замкнутой камере. Согласно бритве Оккама, из предложенных двух теорий, объясняющих факты, следует выбрать наиболее простую. Однако бритва Оккама применяется должным образом только тогда, когда две или более теории объясняют с равной справедливостью все относящиеся к ним факты. В существующем случае — это не так.

Если мы ограничиваемся только жидкостной теорией теплового потока, то, конечно, для восприятия она проще, чем атомное движение. Однако, если нам потребуется объяснить воздействие теплоты на давление и объем в газах, если нам нужно будет объяснять явления удельной теплоемкости, латентной теплоты и множество других явлений, жидкостная теория становится достаточно трудной к использованию. Со своей стороны, атомная теория движения не только может объяснить тепловой поток, но также и все другие явления, в которые вовлечена теплота.

Представим себе, например, что у нас имеются горячее и холодное тела, находящиеся в контакте. Молекулы в горячем теле в среднем перемещаются или вибрируют более быстро, чем молекулы в холодном теле. Безусловно, молекулы в обоих телах обладают неким диапазоном скоростей: и в холодном теле могут существовать некоторые молекулы, которые перемещаются быстрее, чем некоторые молекулы в горячем теле, но это — исключительная ситуация. Когда молекула горячего тела («Н-молекула») сталкивается с таковой холодного тела («С-молекулой»), велика вероятность того, что из этих двух именно Н-молекула перемещается более быстро. По-другому мы можем сказать это так, что если большое число Н-молекул сталкивается с большим числом С-молекул, то будут несколько случаев, когда скорость перемещения С-молекулы больше, чем скорость перемещения Н-молекулы, с которой она сталкивается, но абсолютное превосходство составляют случаи, когда скорость перемещения Н-молекулы является большей из двух.

Теперь давайте рассмотрим ситуацию, когда два перемещающихся объекта сталкиваются и рикошетят; скорости обоих объектов могут изменяться в огромном диапазоне значений и направлений. Однако эти изменения могут быть сгруппированы в два основных класса. В первом случае более медленный объект в результате столкновения потеряет скорость, тогда как более быстрый объект увеличит скорость. Результатом этого будет то, что более медленный объект будет перемещаться еще медленнее, а более быстрый объект будет перемещаться еще быстрее. Во втором случае в результате столкновения более медленный объект получит дополнительную скорость, тогда как более быстрый объект эту скорость потеряет. В первом классе столкновений значения скоростей станут больше, во втором классе — они уменьшатся.

Однако в большинстве случаев столкновение принадлежит ко второму классу, а не к первому. Это означает, что если мы рассмотрим большое количество случайных столкновений, при которых скорость после столкновения перераспределяется тем или другим способом, то обнаружим, что число столкновений второго класса, при котором суммарные скорости уменьшаются, превалирует над числом столкновений первого класса, при котором они увеличиваются. Случайные столкновения вызывают «среднее уменьшение» скоростей[77].