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» (mv ²). 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 соотечественник С. 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.