Глава 1. Развитие представлений о природе теплоты

§1.1. Физика и механика

Механика составляет фундамент всей физики, но, конечно, не исчерпывает ее. Теперь мы приступим к изучению других разделов физики. На очереди теплота.

Что дает механика Ньютона?

Механика Ньютона, напомним, позволяет определить координаты и скорости тел в любой момент времени по известным значениям этих величин в начальный момент времени. Для решения этой задачи нужно знать силы, действующие между телами, т. е. знать, как зависят силы от расстояний между телами и их скоростей. Таким образом, механика количественно описывает движение: перемещение тел в пространстве с течением времени.

Физика во времена Ньютона

Во время создания классической механики были известны и изучались другие физические явления: тепловые, оптические, электрические и магнитные. Сам Ньютон много внимания уделял исследованию оптических явлений. Результаты этих исследований были им изложены в трактате «Оптика». Гораздо меньше внимания он уделял тепловым явлениям и, по-видимому, не проявлял заметного интереса к электричеству и магнетизму.

Успехи в изучении всех перечисленных выше процессов были несравненно меньшими, чем в изучении механического движения. Но и в самой механике оставался совершенно неясным вопрос о том, почему, вследствие каких физических причин появляются те или иные силы; какова природа сил. Силы необходимо было определять экспериментально.

Все это понимал и сам Ньютон. Ему принадлежат замечательные слова: «Я не знаю, чем я кажусь миру; мне же самому кажется, что я был только мальчиком, играющим на берегу моря и развлекающимся тем, что от времени до времени находил более гладкий камушек или более красивую раковину, чем обыкновенно, в то время как великий океан истины лежал предо мной совершенно неразгаданным».

Механическая картина мира

Последовавшие за созданием основных принципов механики успехи в изучении Солнечной системы, движения не только твердых, но и жидких и газообразных тел настолько захватили воображение ученых, что они стали склоняться к мысли, что механика Ньютона всесильна.

Все богатство, все качественное многообразие мира — это результат различия в движении частиц, составляющих тела. Механика лежит в основе всех процессов в природе. Объяснить какое-либо явление — это свести его в конечном счете к действию законов механики Ньютона. Такова сущность механической картины мира, сложившейся к середине XIX в.

Считалось, что тепловые явления можно свести к механическому движению частиц — атомов и молекул*, из которых, предположительно, построены все тела Вселенной. Электрические, магнитные и оптические явления — в своей основе это механические явления в гипотетической всепроникающей среде — мировом эфире.

* От латинского слова moles — масса, с уменьшительным суффиксом — cula — наименьшая частица вещества.

Была построена молекулярно-кинетическая теория тепловых явлений или, как говорили в те времена, механическая теория тепла.

Однако при построении этой теории выяснилось, что одни только законы механики не в состоянии объяснить своеобразие всей совокупности тепловых процессов. Для этого необходимы дополнительные гипотезы.

С полной очевидностью ограниченность механической картины мира обнаружилась при развитии теории электромагнитных явлений. Выяснилось, что электромагнитное поле, осуществляющее взаимодействие между электрически заряженными частицами, не подчиняется законам механики Ньютона. Оно описывается своими специфическими законами — уравнениями Максвелла для поля.

В XX в. было установлено, что законы механики Ньютона описывают движение атомов и молекул лишь приближенно. Далеко не все тепловые явления можно понять, допуская применимость законов Ньютона для движения микрочастиц. Была построена новая механика движения микрочастиц — квантовая механика.

Тепловые и электромагнитные явления

После изучения классической механики мы перейдем к знакомству с новыми видами явлений, объяснение которых в рамках одной механики невозможно. Вначале будем рассматривать тепловые явления, а затем электрические и магнитные.