0857

начало, а принцип непрерывного ряда. Принцип непрерывного ряда был включен в само качество. Наиболее последовательным примером такого подхода служит теория последовательности форм, выдвинутая Годфри Фонтенским (ум. 1303) и развитая Уолтером Бурлеем (ум. 1343). Существует не одна акциденция, а непрерывная цепь различных акциденций одного и того же вида, следующих одна за другой без перерыва. Здесь качество определяется своим местоположением в ряду других качеств. Качественные изменения в этом случае могут быть объяснены как последовательное принятие субъектом качественных состояний из этого ряда. Поскольку главной характеристикой качества уже не является его отнесенность к субъекту, то субъект вообще может быть устранен.

Так в научное сознание средневековья входит новая фундаментальная идея, которая будет по-настоящему понята только в Новое время. В этой интуиции последовательности был заложен альтернативный по отношению к аристотелевской системе подход к построению картины мира, ибо он разрушал базисное для Аристотеля понятие формы. Форма для Аристотеля неотделима от вещи и вводится для того, чтобы описать неизменные характеристики вещи. Здесь же речь идет о ряде форм, не привязанных к субстанции и вводимых для объяснения процесса изменения. Происходит переосмысление, причем радикальное, самого понятия формы.

В рамках учения о ряде форм развивается теория интенсии (усиления) и ремиссии (ослабления) качеств. Эта теория, давшая гораздо более продуктивную концепцию кинематики, чем оккамисты, развивалась в Мертон-колледже. Ее разрабатывали: Уильям Хейтсбери, Ричард Суайнсхед, Джон Дамблтон. Эта теория развивалась на перефирии средневековой науки, и поэтому у ее апологетов не было нужды слишком придирчиво сверять себя с канонами аристотелизма. Однако именно здесь начинает разрабатываться математический аппарат, специально предназначенный для описания движения.

Суайнсхед исходил из представления о непрерывности качественного изменения и любого движения. (Но на математическом уровне это требовало обращения к бесконечным последовательностям (бесконечное приближение). А с бесконечными последовательностями мертонцы работать еще не умели. )

Аристотель решал проблему непрерывности при помощи понятия континуума. Но это помогало лишь избежать представлений о «мгновенном изменении», скачке. Аристотелевский подход был неконструктивен в отношении формирования языка, описывающего движение. Мертонцы заложили основы такого языка: они стали производить действия не с непрерывностью как таковой, а с бесконечными дискретными последовательностями, каждая из которых выделяет в континууме дискретное упорядоченное множество частей. Таким образом представленная непрерывность поддавалась обсчитыванию (хотя бы гипотетически). То есть была уже математической непрерывностью.

В работах мертонцев происходи переосмысление понятия величины. В античной математике господствовали геометрические интуиции, поэтому величины представлялись в виду отрезков различной длинны. (Связь с аристотелевским определением движения: оно как и отрезок задавалось путем определения двух точек, поэтому мыслилось всегда целиком, как законченное). Мертонцы же перешли от оперирования с актуально анными количествами к величинам, рассматриваемым в процессе их последовательного порождения.

Наука оккамистов

Следствием глубоких изменений, произведенных философией науки Оккама, стала новая концепция научного знания, позитивно повлиявшая на галилеевскую революцию. Сначала в Оксфорде, потом в Париже и во всей Европе аристотелевские начала были подвергнуты самой суровой критике и поставлены под перекрестный огонь. Что же касается метода, то последователи Оккама противопоставили понятию "эпистемэ" Аристотеля, знанию необходимому и универсальному, науку об особенном и пробабилизм как ее метод.

21

Оккам окончательно размежевал бытийные и концептуальные структуры, что положило конец средневековой науке, которая была основана на идее изначальной гармонии слова и бытия. Бытие оказалось вынесенным за рамки концептуальных построений, и отныне только опыт мог удостоверить в бытии. Оккам отрицал существование универсалий даже в Боге. Могут быть лишь идеи индивидуальных вещей, предстающие как объекты интеллектуальной интуиции Бога. Человек же наделен способностью к чувственной интуиции, в которой также схватывается лишь индивидуальное. Впервые объектом познания становится некое единичное «это», фактически референт остенсивного, указательного жеста. Но интуитивное познание, если его объектами являются изолированные индивиды и их свойства, имеет дело только со случайными истинами. Между такими когнитивными образованиями нет связей, поэтому наука как система знаний также оказывается невозможной.

Таким образом, апелляция к опыту как источнику познания играла в оккамизме сугубо разрушительную роль. Чтобы эта роль стала позитивной и появилась новоевропейская наука, нужно было радикальным образом изменить представление как о предмете познания, так и о структур самого знания. Не вещь, а отношение должно было обрести статус фундаментальной онтологической интуиции. Структура универсума в науке Нового времени задается не понятиями, сформированными на основе принципа тождества (форма, сущность, вещь и т.д.), а математическими схемами, описывающими различные виды соотношений.

Наука Нового времени

Галилео Галилей

Основы классической механики заложили Галилео Галилей, Иоганн Кеплер и Исаак Ньютон. Галилей (1564–1642), итальянский физик, механик и астроном. Он установил законы движения свободно падающих тел, сформулировал понятие инертного движения и принцип механической относительности. Но главная заслуга Галилея в том, что он впервые применил в исследовании экспериментальный метод вместе с измерением изучаемых величин и математической обработкой результатов. Такой подход принципиально отличался от существовавшего ранее натурфилософского подхода, где для объяснения природы привлекались априорные умозрительные схемы. Так, для Аристотеля, исходившего из априорных установок, самым совершенным движением считалось круговое. Но Галилей показал, что если на тело не действуют внешние силы, то оно будет двигаться не по кругу, а равномерно по прямой или оставаться в покое. Это и есть инерционное движение. Галилей также опроверг предположение Аристотеля о том, что путь падающего тела пропорционален его скорости. Галилей показал, что на самом деле путь пропорционален ускорению, которое всегда равно 9, 81 м/с2. Эти соображения он впервые высказал в работе 1590 г. «О

движении».

В1608 до Галилея дошли вести о новых инструментах для наблюдения за отдаленными объектами – «голландских трубах». Историки науки почти единодушно считают, что Галилей если не изобрел, то усовершенствовал телескоп. Он изготовил трубу с увеличением в 30 раз и в августе 1609 продемонстрировал ее сенату Венеции. С помощью своей трубы Галилей начал наблюдение ночного неба. Он обнаружил, что поверхность Луны очень напоминает земную – она такая же неровная и гористая; что Млечный Путь состоит из мириадов звезд; что у Юпитера есть по крайней мере четыре спутника («луны»). Эти спутники Галилей назвал «светилами Медичи» в честь герцога Тосканского Козимо II Медичи. Существование спутников Юпитера констатировал и Иоганн Кеплер.

Воктябре 1610 Галилей сделал новое сенсационное открытие: он наблюдал фазы Венеры. Объяснение этому могло быть только одно: движение планеты вокруг Солнца и изменение положения Венеры и Земли относительно Солнца.

22

А к концу 1610 Галилей сделал еще одно замечательное открытие: он усмотрел на Солнце темные пятна. Их видели и другие наблюдатели, в частности иезуит Христофер Шейнер, но последний считал пятна небольшими телами, обращающимися вокруг Солнца. Заявление Галилея о том, что пятна должны находиться на самой поверхности Солнца, противоречило представлениям Аристотеля об абсолютной нетленности и неизменности небесных тел. Спор с Шейнером поссорил Галилея с иезуитским орденом. В ход пошли рассуждения об отношении Библии к астрономии, споры по поводу коперниканского учения (которое называли «пифагорейским»), выпады озлобленного духовенства против Галилея.

Вскоре Галилей вступил в еще один научный спор – о плавании тел. По предложению герцога Тосканского он написал по этому вопросу специальный трактат – Рассуждение о телах, пребывающих в воде (Discorso intorno alle cose, che stanno in su l'aqua, 1612). В своем труде Галилей обосновывал закон Архимеда строго математически и доказывал ошибочность утверждения Аристотеля о том, что погружение тел в воду зависит от их формы. Католическая церковь, поддерживавшая учение Аристотеля, расценила печатное выступление Галилея как выпад против церкви. Ученому припомнили и его приверженность теории Коперника.

5 марта 1616 был опубликован декрет Священной Конгрегации по вопросам веры, в котором учение Коперника объявлялось еретическим, а его сочинение О вращении небесных сфер вносилось в «Индекс запрещенных книг». Имя Галилея не упоминалось, однако Священная Конгрегация поручила Беллармину «увещевать» Галилея и внушить ему необходимость отказаться от взгляда на теорию Коперника как на реальную модель, а не как на удобную математическую абстракцию. Галилей вынужден был подчиниться. В 1632 после долгих мытарств был опубликован труд Галилея Диалоги о двух важнейших системах мира – Птолемеевой и Коперниковой (Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo ptolemaico e copernicano). Согласие на издание книги дал папа Урбан VIII (друг Галилея, бывший кардинал Маффео Барберини, вступивший на папский престол в 1623. Свой знаменитый труд Галилей написал в виде бесед: три персонажа обсуждают различные доводы в пользу двух систем мироздания – геоцентрической и гелиоцентрической. Автор не становится на сторону ни одного из собеседников, но у читателя не остается сомнений в том, что победителем в споре является коперниканец.

Галилей по требованию инквизиции прибыл в феврале 1633 в Рим, где против него начался процесс. Его признали виновным в нарушении церковных запретов и приговорили к пожизненному тюремному заключению. 22 июня 1633 он был вынужден, стоя на коленях, публично отречься от учения Коперника. Ему было предложено подписать акт о своем согласии впредь никогда не утверждать ничего, что могло бы вызвать подозрения в ереси. С учетом этих выражений покорности и раскаяния трибунал заменил тюремное заключение домашним арестом, и Галилей 9 лет оставался «узником инквизиции». В 1641 здоровье Галилея резко ухудшилось, он умер в Арчетри 8 января 1642.

Иоганн Кеплер

Иоганн Кеплер (1571–1630), немецкий астроном. В 1596 вышло в свет его первое сочинение Тайна Вселенной (Prodromus dissertationum mathematicarum continens mysterium cosmographicum, 1596), в котором Кеплер попытался найти соотношения между элементами планетных орбит. Это сочинение привлекло внимание Тихо Браге, который пригласил Кеплера в качестве помощника для обработки результатов наблюдений за планетами. Сотрудничество астрономов продолжалось около двух лет, вплоть до смерти Тихо Браге 24 октября 1601. Еще при жизни Тихо Браге Кеплер предпринимал попытки математического описания закономерностей движения планеты Марс. В результате долгих размышлений Кеплер пришел к эмпирическим законам движения планет (законы Кеплера). Эти результаты были опубликованы в книге Новая астрономия, завершенной в 1607 году и опубликованной

в1609.

Вэтой работе Кеплер привел два из своих знаменитых трех законов движения планет.

23

1.Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится

Солнце.

2.Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем, линия соединяющая Солнце с планетой (радиус-вектор планеты), за ее равные промежутки времени описывает равные площади.

В1618 г. Кеплер обнародовал свой третий закон планетных движений.

3. Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца соотносятся как кубы больших полуосей их орбит.

Но Кеплер не смог объяснить причины планетных движений: он считал, что их «толкает» Солнце, испуская при своем вращении особые частицы (species immateriata), при этом эксцентричность орбиты определяется магнитным взаимодействием Солнца и планеты. Кеплеровский закон площадей - это первое математическое описание планетарных движений, исключившее принцип равномерного движения по окружности как первооснову. Более того, он впервые выразил связь между мгновенными значениями непрерывно изменяющихся величин (угловой скорости планеты относительно Солнца и ее расстояния до него).

Этот «мгновенный» метод описания, который Кеплер впоследствии вполне осознано использовал при анализе движения Марса, стал одним из выдающихся принципиальных достижений науки XVII в. - методом дифференциального исчисления, оформленного Лейбницем и Ньютоном.

Исаак Ньютон

Галилей умер 8 января 1642 г. В том же 1642 г. на Рождество, в Вулсторпе, в окрестностях деревни Колстерворт, Линкольншир, родился Исаак Ньютон. Ньютон завершил научную революцию, и с его системой мира обретает лицо классическая физика.

В1661 г. он поступил в колледж Св. Троицы в Кембридже, где нашел поддержку у преподавателя математики Исаака Барроу (1630-1677). Барроу оценил выдающиеся способности своего ученика, который очень быстро овладел всеми основными математическими знаниями.

В1665 г. на два года из-за чумы Ньютон, как и многие другие преподаватели и студенты, вынужденно покидает Кембридж. Он вернулся в Вулсторп и занимался математикой и философией. Это было весьма плодотворное время. Именно в Вулсторпе Ньютону впервые пришла в голову идея всемирного тяготения. Известен рассказ внучки Ньютона Вольтеру (разболтавшему его всему свету), что эта идея пришла к Ньютону, когда ему на голову упало яблоко с дерева, под которым он отдыхал. Ньютон сконструировал телескоп-рефлектор, который был лишен недостатков Галилеева телескопа.

В1669 г. Барроу перешел на кафедру теологии и передал кафедру математики молодому Ньютону. Ньютон завершил свои опыты по разложению белого цвета с помощью призмы. Он представил соответствующий доклад в 1672 г. в Королевское общество; этот доклад был опубликован под названием «Новая теория света и цветов». Это принесло ему членство в Королевском обществе. В этой работе Ньютон формулирует теорию корпускулярной природы света, согласно которой световые явления находили объяснение в эмиссии частиц разной величины: самые маленькие из этих частиц давали фиолетовый цвет,

асамые большие - красный. Корпускулярная теория света вступала в состязание с волновой теорией, выдвинутой голландским физиком, последователем Декарта Христианом Гюйгенсом (1629-1695).

В1671 г. французский ученый Жан Пикар (1620-1682) выработал наилучший способ обмера Земли; в 1679 г. Ньютон познакомился с техникой расчета диаметра Земли Пикара и возобновил работу над своими заметками о гравитации; вновь выполнил расчеты (которые в Вулсторпе не удавались), и на этот раз благодаря новой технике Пикара расчеты получились, так что идея гравитации стала, таким образом, научной теорией.

24

Вначале 1684 г. известный астроном Эдмунд Галлей (1656-1742) встретился с сэром Кристофером Реном (1632-1723) и Робертом Гуком (1635-1703) с тем, чтобы обсудить проблему движения планет. Гук утверждал, что законы движений небесных тел следуют закону силы, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Рен дал Гуку два месяца на формулировку доказательства закона. Но Гук пренебрег этим поручением.

Вавгусте Галлей отправился в Кембридж, чтобы узнать мнение Ньютона. На вопрос Галлея, какой должна быть орбита планеты, притягиваемой Солнцем с гравитационной силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния, Ньютон ответил: «Эллипс». Обрадованный Галлей спросил у Ньютона, как ему удалось это узнать. Ньютон отвечал: после соответствующих расчетов. Тогда Галлей попросил показать ему эти расчеты, но Ньютон не смог найти их и пообещал прислать позже, что и сделал. Кроме того, он написал работу «О движении тел», которую послал Галлею. Последний сразу понял важность работы Ньютона и убедил его написать и обнародовать трактат. Так появился самый большой шедевр в истории науки «Математические начала натуральной философии».

Ньютон принялся за работу в 1685 г. В апреле 1686 г. он направил рукопись первой части в Королевское общество, в протоколах которого находим следующую запись, датированную 28 апреля: «Доктор Винсент представил Обществу трактат под названием "Математические начала натуральной философии", который господин Исаак Ньютон посвящает Обществу и в котором предлагается математическое доказательство гипотезы Коперника в изложении Кеплера, с объяснением всех феноменов небесных тел с помощью единой гипотезы гравитации к центру Солнца, сила которой уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от центра». Сам Галлей взялся за издание работы. Но тут возник спор с Гуком, который отстаивал свой приоритет в открытии закона силы, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Ньютон оскорбился; он грозил, что не отдаст в печать третью часть работы, в которой говорится о системе мира. Затем спор улегся,

иНьютон вставил в работу примечание, в котором указал, что закон обратной пропорции был уже ранее предложен Реном, Гуком и Галлеем. «Начала...» появились в 1687 г.

Ньютон завязал дружбу с Джоном Локком и продолжал исследования бесконечно малых величин, а также заинтересовался химией. Но в 1692 г. пожар уничтожил его лабораторию, у Ньютона начался тяжелый кризис, граничивший с безумием. С этого момента история Ньютона-ученого практически заканчивается. Ньютон умер 20 марта 1727 г. Погребен Ньютон в Вестминстерском аббатстве. На его похоронах присутствовал Вольтер, способствовавший распространению идей Ньютона во Франции.

Законы движения классической механики

Вот три ньютоновских закона движения, которые представляют собой классическое выражение основ динамики.

Первый - закон инерции, над которым работали Галилей и Декарт. Ньютон пишет: «Всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние». Ньютон иллюстрирует этот фундаментальный принцип следующим образом: «Пуля летит, пока ее не остановит сопротивление воздуха или пока не упадет под действием силы тяготения. Юла... не прекратит своего вращения, пока ее не остановит сопротивление воздуха. Более крупные тела планет и комет, находясь в пространствах более свободных и с меньшим сопротивлением, сохраняют свои движения вперед и одновременно по кругу на гораздо более продолжительное время».

Второй закон, сформулированный уже Галилеем, гласит: «Произведение массы тела на его ускорение равно действующей силе, а направление ускорения совпадает с направлением силы». Формулируя закон, Ньютон рассуждает: «Если определенная сила порождает движение, сила, в два раза большая, породит в два раза большее движение, сила, умноженная втрое, - утроенное движение, и неважно, приложена эта сила вся сразу, одним ударом, или постепенно и последовательно. И это движение, если тело уже двигалось,

25

прибавляется к нему, или вычитается, если эти движения противоположны друг другу; или же добавляется косвенно, если движения не расположены на одной прямой, так что рождается новое движение, направление которого определяется направлением двух исходных движений». Эти два закона, в совокупности с третьим и составляют основу классической механики, изучаемой в школе.

Третий закон, сформулированный Ньютоном, утверждает, что «действию всегда соответствует равное противодействие», или: действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны. Этот принцип равенства между действием и противодействием Ньютон иллюстрирует так: «Любая вещь, которая давит на другую вещь или тянет ее, испытывает в равной мере давление или притягивание со стороны этой другой вещи. Если надавить на камень пальцем, то и палец будет испытывать давление камня».

Таковы законы движения. Однако состояния покоя и равномерного прямолинейного движения могут быть определены только относительно других тел, которые находятся в покое или в движении. Но соотносить с другими системами нельзя до бесконечности, и Ньютон вводит два понятия (которые станут объектом дискуссий) - абсолютного времени и абсолютного пространства. «Истинное и математически абсолютное время протекает безотносительно к чему-либо вне его, иначе оно именуется длительностью. Относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год». «Абсолютное пространство, по своей природе лишенное соотнесения с чем-либо вне его, всегда остается подобным себе самому и неподвижным...» Впоследствии Эрнст Мах назовет эти понятия «концептуальными чудовищами».

Внутри абсолютного пространства, которое Ньютон называет также sensorium Dei, соединение тел осуществляется по закону всемирного тяготения, изложенному в третьей книге «Начал...». Закон гласит,

F=g m1 m2/r2,

где F – сила тяготения; m1 и m2 – тяготеющие массы; r – расстояние между ними; g – постоянная тяготения.

Но как Ньютон пришел к идее всемирного тяготения? Историки науки обнаружили, что он, оказывается, немало времени посвящал занятием алхимией и в ходе этих занятий пришел к выводу, что существует некая сила химического сродства между веществами. После этого Ньютон обратился к астрономии и исследовал взаимодействие тел на макроуровне. И тут открыл универсальный закон гравитации, не имеющий прямого отношения к силе сродства химических веществ, но в то же время выступающий как фундаментальное свойство для всех тел, обладающих массой.

В отличие от своего современника Декарта, не признававшего пустоты, Ньютон считал, что силу притяжения действуют без какой-либо промежуточной среды, в пустоте и мгновенно. Однако, как следует из закона, эта сила убывает с квадратом расстояния между ними. Вопрос о том, какова же природа этих сил, Ньютон оставил решать следующим поколениям.

С помощью закона всемирного тяготения Ньютон приходит к единому принципу объяснения бесконечного множества явлений. Сила, притягивающая к земле камень или яблоко, имеет ту же природу, что и сила, удерживающая Луну близ Земли, а Землю - близ Солнца; присутствием той же силы объясняются приливы - как комбинированный эффект притяжения Солнца и Луны, воздействующий на массу морской воды.

Физика Ньютона исследует не сущности, а функции; она не доискивается до сути тяготения, но довольствуется тем, что оно есть на самом деле и что им объясняются движения небесных тел и земных морей. Механика Ньютона стала одной из наиболее мощных и плодотворных исследовательских программ в истории науки: после Ньютона для научного сообщества «все явления физического порядка должны были быть соотносимы с

26

массами по законам движения Ньютона». Реализация программы Ньютона продолжалась довольно долго, пока не натолкнулась на проблемы, для разрешения которых потребовалась новая научная революция.

Принципы классической механики

Принцип обратимости (или симметрии) времени. Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым. Поскольку при заданных начальных условиях состояние движения механической системы будет зависеть только от этих условий, то в уравнениях движения классической механики знак времени можно менять на обратный. Это значит, что само направление времени в физике не учитывается. Разумеется, здесь мы имеем дело с идеализацией и абстрагированием от реальных процессов, происходящих с телами с течением времени.

Этот принцип впервые был поставлен под сомнение после того, как физики стали изучать тепловые процессы в термодинамике. Но эта проблема не вышла на первый план, так что и теория относительности, и квантовая механика используют идеализацию обратимого времени. И только в новейших исследованиях по неравновесной термодинамике, особенно по синергетике, такие представления стали подвергаться серьезной критике. Разумеется, этот физический принцип обратимости времени совершенно неприемлем в области исследования социальных и биологических процессов.

Принцип механического детерминизма. Все механические процессы подчиняются принципу строгого или жесткого детерминизма, суть которого состоит в признании возможности точного и однозначного определения состояния механической системы через ее предыдущее состояние.

Таким образом, мы оказываемся в мире, где все предопределено предыдущими событиями. Мир превращается в грандиозную машину. Наиболее ясно и обстоятельно эту точку зрения выразил французский ученый 18 века П. Лаплас (1749 - 1827). Таким образом, из механистической картины мира исключается случайность. По Лапласу, случайными мы называем те явления, причины которых нам пока неизвестны.

Однако всегда были области, где изучаемые процессы оказывались столь сложны и запутаны, что со случайностью приходилось мириться. Это социальные и экономические науки. Здесь были разработаны и особые методы, которые получили название статистических и вероятностных. В области демографии они использовались с 18 века, а в естествознании стали применяться лишь в середине 19.

В связи с различие методов предсказания явлений стали выделять универсальные законы, которые назвали детерминистическими (вроде законов Ньютона), и законы, учитывающие случайность, которые получили название стохастических (от латинского stochastic - случайный).

Принцип отрыва материи от форм ее существования. В механике Ньютона пространство и время совершенно не связаны с движущейся материей, хотя и признается, что материя движется в пространстве и времени. Именно поэтому они имеют абсолютный характер.

Принцип дальнодействия. Согласно этому принципу, гравитационные силы могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью. Таким образом,

классическая ньютоновская теория гравитации отрицает существование определенной среды, или гравитационного поля, служащего для передачи гравитационных сил от одной точки к другой. Те, кто признает наличие среды или поля, придерживаются обратного принципа – принципа близкодействия. На принципе близкодействия основана общая теория относительности, которая вместо пустого пространства вводит поля тяготения. Принцип дальнодействия впервые был подвергнут сомнению после открытия электромагнитного поля. О существовании гравитационного поля, действующего по принципу близкодействия, говорят по аналогии с электромагнитным. Но тогда должны быть

27

и специфические частицы этого поля – гравитоны. Однако их существование остается недоказанным.

Термодинамика

Термодинамическая и электромагнитная картина мира стали важным дополнением механицистской картины, когда обнаружилось, что одна классическая механика не в состоянии удовлетворительно объяснить ряд физических явлений. Например, таких как теплота или электричество, то есть явлений немеханической природы. Для их объяснения приходилось выдумывать различные «невесомые субстанции», подобные жидкостям.

В18 веке английский естествоиспытатель Джозеф Блэк четко разграничил понятия тепла и температуры: температура разных веществ увеличивается в разной степени при получении одного и того же количества тепла. Так, для того, чтобы поднять температуру грамма железа на 1 градус Цельсия требуется в три раза больше тепла, чем для той же операции со свинцом. Блэк также показал, что тепло может переходить к телу и без повышения температуры. Например, лед тает под действием тепла, но его температура остается 0 градусов Цельсия. То же самое происходит и при кипении воды: тепло вызывает образование пара, но температура воды не повышается (100 г.Ц.).

Для того чтобы непротиворечиво объяснить явление теплоты в терминах классической механики, была выдумана специальная материальная субстанция – «теплород». Закипание воды в чайнике над костром описывалось так: при сгорании деревянного полена теплород переходил из дерева в пламя костра, а потом и в чайник. Вода насыщалась теплородом и начинала кипеть с выделением пара.

Однако в конце 18 века эта теплородная теория была поставлена под сомнение. Наблюдения показывали, что тепло как-то связано с вибрацией. Так, американский физик и авантюрист Б. Томпсон заметил, что когда высверливают отверстие в стволе артиллерийского орудия, то выделяется много тепла. Но откуда здесь теплород? И Томпсон решил, что дело вовсе не в нем, а в интенсивности колебаний, вызванных сверлением. Английский химик Х. Дэви поставил другой важный опыт: при помощи механического приспособления он плотно сжал и потер друг о друга два куска льда. Теплороду здесь точно взяться было неоткуда, а лед расплавился. Но, хотя выводы опытов были очевидны, теория теплорода дожила до середины 19 века.

Впервой половине 19 века были заложены основы другого подхода к истолкованию природы тепла – термодинамики (от гр. «тепло + движение»). Основателем этого подхода стоит считать француза Никола Карно (1796 - 1832). Согласно термодинамике, нагревание тел объясняется увеличением их внутренней энергии.

Надо отметить, что попытки объяснить тепло внутренним движением частицкорпускул предпринимались и ранее. Но в те времена было мало что известно о внутреннем строении вещества и о строении самих частиц, поэтому явно ошибочная теория теплорода выглядела привлекательнее.

Исследования природы тепла были инициированы во многом изобретением парового двигателя (Кстати, изобретатель парового двигателя Джеймс Ватт был студентом у Джозефа Блэка). Поэтому Карно, как и другой более известный ученый, англичанин Джоуль, ставили перед собой весьма практические вопросы: Все ли тепло, переведенное в форму пара, можно использовать на механическое перемещение поршня? Имеются ли ограничения в конверсии тепла в механическую работу? Каков обратный процесс, то есть переход работы в тепло?

Джоуль пришел к выводу, что определенное количество работы любого вида всегда производит строго определенное количество тепла, то есть Джоуль установил механический эквивалент тепла. Джоуль также сделал предположение, что подобные эквивалентные отношения должны существовать и при превращении других форм энергии в теплоту. Вскоре были открыто явление превращения энергии химических реакций в электричество, а потом и электромагнитной энергии в тепловую. И всегда одна форма энергии переходила в тепловую энергию в строго определенных количествах. Но если тепло можно превратить в

28

работу, то его следует рассматривать как форму энергии (по гр. энергия – «производящая работу»). Электричество, магнетизм, свет и движение также можно использовать для выполнения работы, поэтому все они являются видами энергии. Да и сама работа, превращенная в тепло, является энергией.

Данные наблюдений и экспериментов были обобщены в законах классической термодинамики.

Первый закон термодинамики гласит: Во всех тепловых превращениях энергия не возникает из ничего и не исчезает никуда, а остается постоянной. Это подтверждает подозрения, возникшие еще во времена Ньютона: энергия не может ни создаваться, ни уничтожаться; она всегда сохраняется. Движущееся тело, например, подброшенный вверх камень, обладает кинетической энергией. Когда камень замедляет свое движение вверх, его кинетическая энергия снижается до нуля, переходя в энергию потенциальную. Кинетическая энергия в купе с потенциальной получили название механической энергии. Ее количество в процессе движение остается практически постоянной величиной, но абсолютного сохранения нет, так как происходят потери за счет трения, сопротивления воздуха и пр. Мы можем говорить о сохранении механической энергии только в том случае, если принять во внимание, что при преодолении трения и сопротивления среды механическая энергия превращается в тепловую. Первым закон сохранения энергии четко сформулировал Г. фон Гельмгольц в 1847 г. Этот закон сохранения энергии, или первый закон термодинамики, остается и по сей день фундаментом всей современной физики. Из этого закона следует невозможность вечного двигателя, который мог бы совершать работу без внешнего источника энергии (т.к. часть энергии превращается в тепло и этот процесс необратим).

Второй закон термодинамики гласит: Невозможно получить работу за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии. Этот закон можно сформулировать и проще, как это сделал Никола Карно: нельзя осуществить процесс, единственным

результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре. Физический смысл этого закона состоит в том, что тепловая энергия может превращаться в любой другой вид энергии лишь частично. В результате любой физический процесс, в котором происходит превращение какого-нибудь вида энергии в теплоту, является необратимым процессом, то есть он не может быть полностью повторен в обратном направлении. Но почему так получается?

Когда работа совершается за счет тепла, часть его теряется в пространстве. В любом процессе превращения энергии часть ее покидает систему. Способность любой системы выполнять работу характеризуется ее свободной энергией. А та часть энергии, которая тратиться на бесполезный нагрев, получила название «энтропия». Второй закон термодинамики, таким образом, устанавливает некоторые ограничения: невозможно получить большее количество работы из системы, чем количество доступной свободной энергии. Величина же свободной энергии всегда будет меньше, чем величина полной энергии, за исключением случая, когда температура достигнет абсолютного нуля. При чем тут абсолютный нуль?

Тепловая энергия из области высокой температуры всегда передается в направлении области с более низкой температурой. Количество энергии, которое может быть конвертировано в работу, определяется разностью температур. То есть, доступная энергия

может быть представлена как Т2 (горячая область) – Т1 (холодная область). Но даже холодная область теплового двигателя содержит в себе теплоту. Полная же энергия определяется следующим

образом: Т2 – 0 (абсолютный нуль; т.е. в случае определения полной энергии мы гипотетически охлаждаем холодную область до абсолютного нуля). Максимальная эффективность теплового двигателя, т.е. Е, будет равна отношению доступной энергии к полной энергии.

Е = Т2 – Т1

Т2

29

Это значит, что для извлечения теплоты и ее дальнейшей конвергенции в работу, должна быть более холодная область. Если температура достигнет абсолютного нуля, разница температур будет невозможной (ничего нельзя охладить ниже абсолютного нуля).

Теперь вернемся к интересному понятию «энтропия», которое выражает меру необратимости самопроизвольного перехода энергий (термин Клаузиус придумал сам: «тропе» по-гречески значит «превращение», а приставка «эн» понадобилась лишь для того, чтобы придать термину сходство с названием фундаментальной физической величины – «энергией»). В научный обиход этот термин был впервые введен немецким физиком Рудольфом Юлиусом Эммануэлем Клаузиусом (1822 - 1888). Используя этот термин, он дал свою формулировку второго закона термодинамики:

Энтропия замкнутой термодинамической системы, то есть системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, возрастает и достигает максимума в точке термодинамического равновесия.

Чуть позднее австрийский физик Людвиг Больцман (1844 - 1906) стал рассматривать тепловые процессы с точки зрения молекулярно-кинетической теории как хаотическое движение огромного числа молекул. Поскольку с увеличением температуры эта хаотичность возрастает, то Больцман стал трактовать энтропию как рос беспорядка и дезорганизации системы.

Рудольф Клаузиус также предпринял попытку распространить законы классической термодинамики на Вселенную, и выдвинул два постулата:

-Энергия Вселенной всегда постоянна.

-Энтропия Вселенной всегда возрастает.

Поскольку возрастание энтропии – процесс необратимый, мы можем говорить о своеобразной космологической шкале времени: время во Вселенной движется в направлении увеличения энтропии, или увеличению беспорядка, в терминах Больцмана. Получается, что все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, которое соответствует максимуму энтропии. Это значит, что, в конце концов, во Вселенной наступит тепловая смерть. Разумеется, такие мрачные прогнозы мало кого обрадовали. Некоторые ученые и философы стали выдвигать гипотезы о существовании неких параллельных антиэнтропийных процессов. Другие же обратили внимание на то, что само понятие закрытой, или изолированной, системы является абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе. Но все эти попытки уберечь нашу Вселенную от мрачной перспективы тепловой смерти не находили прочного основания вплоть до 60-х годов 20 века, пока не появилась новая неравновесная термодинамика, которая опирается не только на понятие о необратимых процессах, но и на возможность возникновения порядка за счет энергии и вещества из окружающей среды. Появление новой термодинамики было обусловлено не только недовольством пессимистической перспективой, но и тем, что классическая термодинамика все же не давала удовлетворительного решения космологических проблем.

Новая термодинамика исходит из понятия «открытой системы». Одно из первых определений открытой системы принадлежит австрийскому физику Эрвину Шрѐдингеру (1887 - 1961), который сформулировал его в своей книге «Что такое жизнь с точки зрения физика?» Открытые системы, в отличие от замкнутых, обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией (она добавляется, если речь идет о биологических, гуманитарных и социальных системах). Все реальные системы, с которыми мы имеем дело, оказываются именно открытыми. В них также производится энтропия, поскольку осуществляются необратимые процессы, но эта энтропия не накапливается, а выводится и рассеивается в окружающей среде. Такие материальные структуры, способные рассеивать энергию, стали называть диссипативными (диссипировать - рассеивать).

Если охарактеризовать энтропию как степень беспорядка, то можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды. Но, извлекая порядок, открытая система вносит во внешнюю вреду беспорядок. Открытые системы

30