Книга «Физика, рассказанная на ночь»

У физики — невероятная биография. В ней можно найти всё: успехи и провалы, надежды и рухнувшие мечты, происки недоброжелателей и завистников, творческие порывы и силу духа.

В этой книге вы не найдете ни одной формулы, но узнаете о великих физических идеях и в особенности о тех людях, которые стоят за ними: от Ньютона и Галилея до Эйнштейна, Фейнмана, Ферми и Бора; от Фарадея и Максвелла до Шрёдингера, Дирака, Гейзенберга и Паули; от истоков науки до проблем времени и пространства, природы света и тепла; от открытия атома до принципов квантовой механики; от наблюдений за звездным небом до фундаментальных идей современной астрономии и космологии.

Отрывок из книги
Удивительные субстанции или все-таки просто движение ?

Когда Фейнман учился на первом курсе, он часто слышал дискуссии своих старших товарищей по комнате, касающиеся проблем математики и физики. Однажды двое из них безуспешно пытались решить задачу по теоретической физике. Фейнману решение этой задачи казалось ясным, и он предложил «воспользоваться уравнением Бароналлаи».

Фамилия Бароналлаи ни о чем не говорила товарищам Фейнмана по комнате. Фейнман узнал об этом уравнении из энциклопедии Британика, однако не знал, как правильно произносится фамилия. После того как выяснилось, что речь шла об уравнении Бернулли, задача по физике была действительно быстро решена — и Фейнман очень скоро стал знаменит как гений математики.

Семья Бернулли в математике — это как семья Баха в музыке. За четыре поколения она дала одиннадцать выдающихся математиков: четырех Николаусов, трех Иоганнов, двух Якобов, двух Даниэлей. Один из Даниэлей Бернулли был при этом не только известным математиком, но и внес значительный вклад в области физики.

Однажды во время поездки по Европе в ходе разговора с незнакомыми людьми Даниэль Бернулли представился. «То гда я, — ответил на это его собеседник, — Исаак Ньютон». Даниэль Бернулли с удовольствием рассказывал эту историю, так как видел в ней искреннее проявление уважения к нему.

В своей «Гидродинамике», вышедшей в 1738 году, Даниэль Бернулли успешно применил законы Ньютона к жидкостям и газам. При этом Бернулли, само собой разумеется, исходил из того, что газы состоят из атомов — из несметного количества маленьких твердых частиц, которые находятся в постоянном движении, более или менее беспрепятственно движутся мимо друг друга и при этом непрерывно ударяются о стенки сосуда, порождая таким образом давление газа.

В стеклянном сосуде большего объема, содержащем такое же количество атомов, давление газа меньше, так как столкновение со стенками сосуда происходит реже. Бернулли занялся рассмотрением конкретного вопроса о том, как изменится давление газа, если вдвое увеличить длину стороны кубического сосуда, что соответственно приведет к увеличению объема сосуда в восемь раз. Поскольку тогда противоположные стенки сосуда будут расположены дальше друг друга и, значит, частицам придется преодолевать вдвое большее расстояние от одной стенки до другой, то, следовательно, они в два раза реже будут ударяться о стенки сосуда. Однако ввиду того, что одновременно с этим поверхность стенок сосуда станет в четыре раза больше, давление газа в целом уменьшится на одну восьмую от первоначального значения. Если же, напротив, уменьшить объем сосуда наполовину, то давление в результате соответственно участившихся ударов частиц о стенки сосуда увеличится вдвое от первоначального значения.

Примерно за семьдесят лет до этого Роберт Бойль, узнав об экспериментах Отто фон Герике, тоже захотел посвятить себя этому удивительному вакууму. Вместе с Робертом Гуком он установил, что это более или менее безвоздушное пространство без изменений передает свет и электрические силы, однако не может проводить звук и что в нем не могут происходить процессы горения. До того времени все исследования касались исключительно вакуума. Тогда знакомый Бойля, теолог, отец-иезуит Линус натолкнул его на идею поэкспериментировать не с вакуумом, а с самим воздухом. Поводом для этого стали сомнения Линуса. Отец-иезуит считал эксперименты Герике неправдоподобными. Линус думал, что, если воздух может быть разреженным, тогда он должен также и сжиматься. Однако это, по его мнению, было абсурдом.

Бойль занялся рассмотрением этой идеи и провел свои «Новые физико-механические опыты, касающиеся упругости воздуха и его воздействий». И действительно, в 1660 году Бойль представил таблицу, данные которой показывали, что при уменьшении объема наполовину давление газа увеличивается вдвое.

Причину увеличения давления газа Бойль видел в маленьких, расположенных друг на друге, пружинящих частицах: при сжатии давление газа увеличивалось, как будто при сжатии коробки, наполненной резиновыми шариками. Ньютон также полагал, что давление газа вызывается покоящимися, однако отталкивающимися друг от друга частицами. Только Даниэль Бернулли выдвинул правильную идею — о подвижных частицах. Именно Бернулли сумел найти правильную взаимосвязь между давлением и объемом. Тем не менее его идея не имела успеха.

В своей «Физике» Аристотель говорил о следующих четырех элементах: огонь, вода, земля и воздух. Однако при этом Аристотель подразумевал не сами реальные вещества или сам огонь. Элементы — вода, земля и воздух, хотя и напоминают об агрегатных состояниях — жидкое, твердое и газообразное, однако не имеют аналогий в окружающем нас мире. Когда в начале XVIII столетия Георг Шталь высказал мысль о том, что при сжигании тела выделяется флогистон — от греческого «горючий» — и превращается в огонь, для многих этот элемент — огонь — обрел свою конкретную форму.

Чем больше флогистона содержало тело, тем лучше оно горело. При этом горение представлялось как разделение двух субстанций. Спустя некоторое время выяснилось, что при сгорании тело становится тяжелее. То, что на первый взгляд могло выглядеть как противоречие, было разрешено при помощи искусственного приема: флогистону была приписана отрицательная масса — таким образом было дано объяснение, почему огонь поднимается вверх.

Антуан Лавуазье видел это абсолютно иначе — и в результате стал одним из основателей современной химии. Лавуазье считал, что при сгорании происходило не разделение двух субстанций, а, наоборот, их соединение. В сгорании он видел объединение с кислородом и таким образом сумел объяснить, почему тело при сгорании становится тяжелее. Одновременно с этим он нашел убедительный инструмент для ответа на древний вопрос о различии между элементом и соединением. Если субстанция химически может превращаться в вещества, которые тяжелее ее самой, то тогда, по мнению Лавуазье, речь идет о химическом элементе.

Когда в 1789 году, в год французской революции, Лавуазье опубликовал свою новую теорию химических элементов, их насчитывалось уже двадцать три.282 Среди этих двадцати трех элементов находилось вещество, которое сегодня не причисляют к элементам, — теплород. Теплород, однако, был не Аристотелевым огнем, а субстанцией тепла, которую Лавуазье рассматривал как часть химических реакций.

Для Джозефа Блэка, жившего в одно время с Лавуазье, теплород был эластичной жидкостью. Это представление делало, казалось бы, хорошо понятными некоторые явления. С этой точки зрения теплород проникает в нагреваемое тело. Заметно это и при растяжении тела. При сжатии газ отдает ощутимое тепло, так как из него выдавливается теплород. При испарении вещество поглощает теплород, а при конденсации теплород снова выделяется как тепло конденсации. Чтобы растопить лед, необходимо тепло. Когда лед замерзает, он отдает это тепло.

Граф Румфорд сомневался в существовании теплорода. Он долгое время в ходе тщательных измерений тщетно пытался определить вес тепла, вес теплорода. Вместо того чтобы просто предположить, что тепло, как свет и электричество, не имеет веса, Румфорд в отрицательном исходе своих экспериментов видел указание на то, что «тепло — это не что иное, как внутреннее, вибрирующее движение частиц, из которых состоит нагретое тело».

Румфорд высказал это предположение, имея для этого хорошее основание. В 1798 году в Мюнхене в артиллерийских мастерских по его просьбе затупившимися стальными сверлами высверливались орудийные стволы. Раскаленные горячие сверла то и дело погружались в воду. Таким образом одним и тем же сверлом вода в течение нескольких дней и недель доводилась до кипения. В результате стало вполне очевидно, что тепло не может быть субстанцией, так как в этом случае оно в один прекрасный день должно было бы исчерпать себя. Очевидным для графа Румфорда было также и то, чем на самом деле являлось тепло: поскольку оно непрерывно образовывалось за счет движения, то, по мнению Румфорда, оно само должно было быть частью движения.

Графу Румфорду не удалось убедить в этом ученых своего времени. Размышляя о тепле, физики той эпохи рассматривали его не в виде находящихся в постоянном движении мельчайших частиц, а по-прежнему в виде удивительной субстанции.

Даниэль Бернулли видел в находящихся в постоянном движении частицах причину давления газа. Для графа Румфорда данное движение проявлялось дополнительно как тепло. Кинетическая теория теплоты, от греческого слова kinema, обозначающего движение, была создана из идей Бернулли и Румфорда. В частности, этим путем физика пришла к открытию атома. Однако возможным это стало благодаря другому огромному прорыву в физике, а именно открытию закона сохранения энергии.

» Более подробно с книгой можно ознакомиться на сайте издательства ^[1]
» Оглавление ^[2]
» Отрывок ^[3]

Для читателей данного блога скидка 25% по купону — Физика

Автор: Издательский дом «Питер»

Источник ^[4]