Текст книги "Эволюция физики"

Автор книги: Альберт Эйнштейн

Соавторы: Леопольд Инфельд
сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 18 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]

Является ли теплота субстанцией?

Здесь мы начинаем исследовать новую руководящую идею, возникшую в области тепловых явлений. Однако невозможно разделить науку на отдельные несвязанные разделы. В самом деле, мы скоро увидим, что введённые здесь новые понятия тесно переплетаются с понятиями уже известными и с понятиями, которые мы ещё встретим. Ход мыслей, развитый в одной ветви науки, часто может быть применён к описанию явлений, с виду совершенно различных. В этом процессе первоначальные понятия часто видоизменяются, чтобы продвинуть понимание как явлений, из которых они произошли, так и тех, к которым они вновь применены.

Самые основные понятия в описании тепловых явлений – температура и теплота. В истории науки потребовалось чрезвычайно много времени для того, чтобы эти понятия были разделены, но когда это разделение было произведено, оно вызвало быстрый прогресс науки. Хотя эти понятия теперь известны каждому, мы исследуем их подробнее, подчеркнув различие между ними.

Наше чувство осязания совершенно определённо сообщает нам, что одно тело тёплое, а другое – холодное. Но это чисто качественный критерий, недостаточный для количественного описания, а иногда даже двусмысленный. Это подтверждается хорошо известным экспериментом: пусть мы имеем три сосуда, содержащих относительно холодную, тёплую и горячую воду. Если мы опустим одну руку в холодную воду, а другую – в горячую, то получим ощущение, что первая вода холодна, а вторая – горяча. Если затем мы опустим обе руки в тёплую воду, то мы получим два противоречивых ощущения. На этом же основании жители северных и экваториальных стран, встретившись в Нью-Йорке в весенний день, держались бы различных мнений о том, тёплая или холодная была погода в момент их встречи. Мы разрешаем все эти вопросы применением термометра, инструмента, спроектированного в примитивной форме Галилеем. (Опять то же замечательное имя!) Применение термометра основано на некоторых очевидных физических предположениях. Мы напомним о них, приведя несколько строк из лекции, прочитанной около 140 лет тому назад Блэком, который много способствовал делу разъяснения трудностей, связанных с обоими понятиями – понятием теплоты и понятием температуры.

«Благодаря применению этого инструмента мы узнали, что если мы возьмём тысячу или более различных видов вещества, таких как металлы, камни, соли, дерево, перья, шерсть, вода и многообразие других жидкостей, причём все они вначале будут различной теплоты, поместим их вместе в одну и ту же комнату без огня и без солнечного света, то теплота будет передаваться от более горячего из этих тел к более холодному, может быть, в течение нескольких часов или в течение дня, а в конце этого времени термометр, последовательно приложенный ко всем телам, покажет точно одну и ту же степень нагретости».

Выделенное курсивом слово теплота согласно теперешней терминологии должно быть заменено словом температура.

Врач, рассматривая термометр, с помощью которого он измерял температуру больного, может рассуждать приблизительно так: «Термометр показывает свою собственную температуру длиной своего ртутного столбика. Мы предполагаем, что длина ртутного столбика возрастает пропорционально возрастанию температуры. Но термометр был в течение нескольких минут в соприкосновении с моим пациентом, так что и пациент, и термометр имеют одну и ту же температуру. Поэтому я заключаю, что температура моего пациента та же, что и температура, зарегистрированная термометром». Врач, вероятно, действует механически, но он применяет физические законы, не рассуждая о них.

Но содержит ли термометр то же самое количество теплоты, что и тело человека? Конечно нет. Предположить, что два тела содержат одинаковое количество теплоты только потому, что их температуры одинаковы, значит, как заметил Блэк, «держаться очень поспешного взгляда о предмете. Это означает смешивание количества теплоты в различных телах с её общей силой или интенсивностью, хотя ясно, что это неодинаковые вещи, которые всегда следует различать, когда мы рассуждаем о распределении теплоты».

Это различие становится понятным из рассмотрения очень простого эксперимента. Чтобы изменить температуру 1 кг воды от комнатной температуры до точки кипения, необходимо некоторое время. Гораздо большее время требуется для нагревания 12 кг воды в том же сосуде на том же пламени. Мы истолковываем этот факт как указание на то, что теперь требуется больше «чего-то», и это «что-то» мы называем теплотой.

Следующее важное понятие – удельная теплоёмкость – получено из такого эксперимента: пусть один сосуд содержит 1 кг воды, а другой – 1 кг ртути, и пусть оба нагреваются одинаковым образом. Ртуть станет горячей гораздо скорее, чем вода, тем самым показывая, что необходимо меньше «теплоты», чтобы поднять температуру ртути на один градус. Вообще говоря, для того чтобы нагреть на один градус, скажем, от 4 до 5 °C, различные вещества, такие как вода, ртуть, железо, медь, дерево и т. д., все одинаковой массы, требуются различные количества «теплоты». Мы говорим, что каждое вещество имеет свою удельную теплоёмкость.

Придя к понятию теплоты, мы можем исследовать его природу ближе. Пусть мы имеем два тела: одно горячее, а другое холодное, или, точнее, одно тело более высокой температуры, чем другое. Установим между ними контакт и освободим их от всех других внешних влияний. Мы знаем, что в итоге они достигнут одной и той же температуры. Но как это получается? Что происходит с того времени, когда они приведены в соприкосновение, до достижения ими одинаковой температуры? На ум приходит картина течения теплоты от одного тела к другому, аналогично тому, как вода течёт с более высокого уровня к низшему. Эта, хотя и примитивная, картина оказывается соответствующей многим фактам, так что можно провести аналогию:

Вода ↔ Теплота

Более высокий уровень ↔ Более высокая температура

Более низкий уровень ↔ Более низкая температура

Течение продолжается до тех пор, пока оба уровня, т. е. обе температуры, не сравняются. Этот наивный взгляд можно сделать более полезным для количественного рассмотрения. Если смешиваются определённые массы воды и спирта, каждая при определённой температуре, знание теплоемкостей позволяет предсказать конечную температуру смеси. Наоборот, наблюдение конечной температуры и небольшое знание алгебры позволяют нам найти отношение двух теплоемкостей.

Мы приходим к понятию теплоты, которое оказывается здесь похожим на другие физические понятия. Согласно нашему взгляду, теплота – это субстанция, такая же как и масса в механике. Её количество может либо изменяться, либо же оставаться постоянным, подобно деньгам, которые можно либо отложить в сейф, либо же истратить. Количество денег в сейфе будет оставаться неизменным до тех пор, пока сейф остаётся запертым; точно так же будут неизменными количества массы и теплоты в изолированном теле. Идеальный дорожный термос аналогичен такому сейфу. Больше того, как масса в изолированной системе остаётся неизменной, даже если происходит химическое превращение, так же и теплота сохраняется даже в том случае, когда она переходит от одного тела к другому. Даже если теплота употребляется не на повышение температуры тела, а, скажем, на таяние льда или на превращение воды в пар, мы можем по-прежнему думать о ней как о субстанции, так как можем снова получить её при замерзании воды или при конденсации пара. Старые названия – скрытая теплота плавления или испарения – показывают, что эти понятия получены из представления о теплоте как о субстанции. Скрытая теплота временно скрывается, подобно деньгам, положенным в сейф, но её можно использовать, если известен запирающий механизм.

Но теплота, разумеется, не субстанция в том же смысле, как масса. Массу можно взвесить на весах, а можно ли взвесить теплоту? Весит ли кусок железа больше, когда он докрасна нагрет, по сравнению с тем, когда он холоден как лёд? Эксперимент показывает, что нет. Если теплота – субстанция, то она невесомая субстанция. «Тепловая субстанция» обычно называлась теплородом; через него мы впервые знакомимся с целым семейством невесомых субстанций. Позднее мы будем иметь случай проследить историю этого семейства, его подъём и падение. Теперь же достаточно отметить зарождение отдельного члена этого семейства.

Цель всякой физической теории – объяснить максимально широкую область явлений. Она оправдывается постольку, поскольку делает события понятными. Мы видели, что субстанциональная теория теплоты объясняет много тепловых явлений. Однако скоро станет очевидным, что это опять ложная идея, что теплоту нельзя считать субстанцией, хотя бы и невесомой. Это ясно, если вспомнить о некоторых простых экспериментах, отметивших начало цивилизации.

О субстанции мы думаем как о чём-то, что никогда не может быть ни создано, ни разрушено. Однако первобытный человек с помощью трения создал теплоту, достаточную для того, чтобы зажечь дерево. Примеры нагревания посредством трения слишком многочисленны и хорошо известны, чтобы о них нужно было рассказывать. Во всех этих случаях создаётся некоторое количество теплоты – факт, трудно объяснимый с точки зрения субстанциональной теории. Верно, что защитник этой теории может придумать доводы с целью объяснить этот факт. Его рассуждение должно быть приблизительно таким: «Субстанциональная теория может объяснить видимое создание теплоты. Возьмём простейший пример, когда два куска дерева трутся друг о друга. Так вот, трение – это нечто такое, что воздействует на дерево и изменяет его свойства. При этом свойства изменяются так, что неизменное количество теплоты должно создавать более высокую температуру, чем прежде. В конце концов, единственное, что мы замечаем, это повышение температуры. Возможно, что трение изменяет теплоёмкость дерева, а не общее количество теплоты».

В этой стадии обсуждения было бы бесполезным спорить с защитником субстанциональной теории; это вопрос, который может быть разрешён только экспериментально. Представим себе два одинаковых куска дерева и предположим, что температура их изменена одинаково, но различными методами: в одном случае, например, путём трения, а в другом – при помощи соприкосновения с печкой. Если оба куска имеют одинаковую теплоёмкость при новой температуре, то рушится вся субстанциональная теория. Имеются очень простые методы определения теплоемкостей, и судьба этой теории зависит от результата именно таких измерений. В истории физики часто встречается такое испытание, которое способно произнести приговор о жизни или смерти теории; оно называется experimentum crucis.Решением суда такого эксперимента может быть оправдана только одна теория явлений. Определение удельных теплоемкостей двух тел одного и того же рода, нагретых до одинаковой температуры соответственно трением или тепловым потоком, представляет собой типичный пример такого решающего эксперимента. Этот эксперимент был произведён около 140 лет тому назад Румфордом; он нанёс смертельный удар субстанциональной теории теплоты. В докладе Румфорда мы читаем:

«Часто случается, что обычные житейские дела и занятия предоставляют нам возможности наблюдения некоторых наиболее любопытных процессов природы; очень интересные физические эксперименты нередко можно сделать без особых забот или затрат с помощью механизма, придуманного для выполнения простых механических задач в ремёслах и производстве.

У меня очень часто были случаи для подобных наблюдений, и я убеждался, что привычка быстро реагировать на всё, что встречается в обычном ходе деловой жизни, приводила, так сказать, случайно или вольной игрой воображения, возникающей под влиянием размышлений над самыми обычными явлениями, к полезным сомнениям и разумным планам исследования и совершенствования гораздо чаще, чем все самые напряжённые размышления физиков в часы, специально отведённые для научных занятий…

Недавно, будучи обязанным наблюдать за сверлением пушек в мастерских военного арсенала в Мюнхене, я был удивлён очень значительной степенью теплоты, которую приобретала медная пушка за короткое время сверления; ещё интенсивнее (гораздо интенсивнее, чем теплота кипящей воды, как я обнаружил опытом) была теплота металлических стружек, отделённых от пушки при сверлении…

Откуда приходит теплота, фактически произведённая в вышеупомянутом механическом процессе?

Доставляется ли она металлическими стружками, которые отделяются при сверлении от твёрдой массы металла?

Если бы это было так, то, согласно современному учению о скрытой теплоте и о теплороде, теплоёмкость их не только должна была измениться, но само изменение это должно быть достаточно велико, чтобы объяснить всю произведённую теплоту.

Но никакого такого изменения не было; я обнаружил это, взяв равные по весу количества этих стружек, а также тонких полосок той же самой металлической болванки, отделённых мелкой пилкой, и положив их при одинаковой температуре (температуре кипящей воды) в сосуды с холодной водой, взятой в одинаковых количествах (например, при температуре 59,5° по Фаренгейту); вода, в которую были положены стружки, судя по всему, не нагрелась больше или меньше, чем другая часть воды, в которую были положены полоски металла».

Наконец, мы подходим к выводу Румфорда:

«Обсуждая этот предмет, мы не должны забывать учёта того самого замечательного обстоятельства, что источник теплоты, порождённой трением, оказался в этих экспериментах явно неисчерпаем.

Совершенно необходимо добавить, что это нечто, которое любое изолированное тело или система тел может непрерывно поставлять без ограничения, не может быть материальной субстанцией; и мне кажется чрезвычайно трудным, если не совершенно невозможным, создать какую-либо точную идею о чём-то, что в состоянии возбуждаться и передаваться подобно тому, как возбуждается и передаётся в этих экспериментах теплота, если только не допустить, что это „что-то“ есть движение».

Таким образом, мы видим разрушение старой теории или, чтобы быть более точными, мы видим, что субстанциональная теория ограничивается задачами потока тепла. И опять, как указал Румфорд, мы должны искать новые идеи. Чтобы сделать это, оставим на время проблему теплоты и вернёмся к механике.

Аттракцион «горка»

Проследим за движением маленького вагона, поднятого до наиболее высокой точки волнообразной горки. Когда он освобождается, он начинает катиться вниз под влиянием силы тяжести, а затем поднимается и опускается вдоль причудливо искривлённой линии, заставляя пассажиров весьма остро переживать своё путешествие вследствие внезапного изменения скорости. Каждый зигзаг дорожки имеет свою наивысшую точку. Однако никогда на всём протяжении движения вагон не достигнет той же самой высоты, с которой он начал движение. Полное описание движения было бы очень сложным.

С одной стороны, это механическая проблема, так как налицо изменение скорости и положения во времени. С другой стороны, имеется трение, а стало быть, образование теплоты в рельсах и колёсах. Единственное существенное основание для разделения физического процесса на эти два аспекта – это возможность использовать обсуждённые раньше понятия. Это разделение приводит к идеализированному эксперименту, ибо физический процесс, в котором проявляется только механический аспект, можно только вообразить, но никогда нельзя реализовать.

Для идеализированного эксперимента мы можем вообразить, что некто научился полностью исключать трение, которое всегда сопровождает движение. Он решает применить своё открытие к конструкции нового аттракциона – волнообразной горки и должен найти, как построить её. Вагон должен пробежать вверх и вниз от своей исходной точки, скажем, на высоте 30 м над уровнем земли. Учась на опыте и ошибках, он скоро узнаёт, что может следовать очень простому правилу: он может достроить свою горку любой формы, какую пожелает, при условии, что ни одна точка его дорожки не лежит выше исходной. Если вагон будет двигаться без трения до самого конца горки, то на своём пути он может достигнуть высоты в 30 м столько раз, сколько наш конструктор пожелает, но никогда эта высота не может быть превзойдена. На реально выполнимой горке начальная высота никогда не может быть достигнута вагоном из-за трения, но наш воображаемый инженер не нуждается в рассмотрении последнего.

Проследим за движением на идеализированной горке (рис. 18) идеализированного вагона, начинающего катиться вниз от исходной точки. Когда он движется, его расстояние от земли уменьшается, но его скорость увеличивается. Это предложение на первый взгляд напоминает нам урок по языку: «У меня нет ни одного карандаша, но у вас есть шесть апельсинов». Однако оно не так глупо. Нет никакой связи между тем, что я не имею ни одного карандаша, а вы имеете шесть апельсинов, но существует очень реальное соотношение между расстоянием вагона от земли и его скоростью. Мы можем точно подсчитать скорость вагона в любой момент, если мы знаем, на какой высоте над землёй он находится; мы вынуждены, однако, опустить здесь этот подсчёт из-за его количественного характера, лучше всего выражаемого математической формулой.

Рис. 18

В наивысшей точке скорость вагона равна нулю, а высота – 30 м от земли. В самой низкой точке расстояние от земли равно нулю, но скорость вагона наибольшая. Эти факты можно выразить другими словами. В наивысшей точке у вагона есть потенциальная энергия, но нет энергии движения – кинетической энергии. В самой низкой точке у вагона наибольшая кинетическая энергия, но нет никакой потенциальной энергии.

Во всех промежуточных положениях, в которых имеется и некоторая скорость, и некоторое возвышение над землёй, вагон имеет и кинетическую, и потенциальную энергии. Потенциальная энергия увеличивается с поднятием, между тем как кинетическая энергия становится больше по мере того, как возрастает скорость. Принципы механики достаточны для того, чтобы объяснить движение. В математической формуле содержатся два выражения энергии, каждое из которых при движении меняется, хотя сумма их не изменяется. Таким образом, возможно строго математически ввести понятия потенциальной энергии, зависящей от положения, и кинетической энергии, зависящей от скорости. Введение обеих величин, конечно, произвольно и оправдывается лишь удобством. Сумма двух величин остаётся неизменной и называется константой движения. Полную энергию, кинетическую плюс потенциальную, можно сравнить, например, с деньгами, которые сохранялись неизменными по величине, но непрерывно обменивались по твёрдому курсу то на одну валюту, то на другую, скажем на доллары, фунты и обратно.

На реальной горке (рис. 19), при движении по которой трение препятствует вагону вновь подняться до высоты исходной точки, имеет место непрерывный взаимообмен между кинетической и потенциальной энергиями. Однако здесь сумма их не остаётся постоянной, а становится всё меньше и меньше. Теперь необходимо сделать важный и смелый шаг – связать между собой механический и тепловой аспекты движения. Значение следствий и обобщений, сделанных из этого шага, будет видно из дальнейшего.

Рис. 19

В этом случае в рассмотрение вовлекается нечто большее, чем кинетическая и потенциальная энергии, а именно: теплота, создаваемая трением. Соответствует ли эта теплота уменьшению механической, т. е. кинетической и потенциальной, энергии? Новое предположение неизбежно. Если теплоту можно рассматривать как форму энергии, то, может быть, сумма всех трёх энергий – теплоты, кинетической и потенциальной энергий – остаётся постоянной. Не одна теплота, а теплота и другие формы энергии, взятые вместе, неразрушимы, подобно субстанции. Это похоже на то, как если бы человек, обменивая свои доллары на фунты, должен был из тех же денег заплатить франками за комиссию по обмену; общая сумма денег тоже сохраняется, так что сумма долларов, фунтов и франков представляет собой определённую величину, которую можно установить соответственно определённому курсу обмена.

Прогресс науки разрушил старое понятие теплоты как субстанции. Мы пытаемся создать новую субстанцию, энергию, одной из форм которой является теплота.

Мера превращения

Меньше 100 лет назад Майер ввёл, а Джоуль экспериментально подтвердил новую идею, которая привела к понятию теплоты как формы энергии. Удивительно, что почти все фундаментальные работы о природе теплоты были сделаны физиками-непрофессионалами, людьми, которые рассматривали физику исключительно как своё любимое хобби. Это были широкообразованный шотландец Блэк, немецкий врач Майер и американский предприниматель граф Румфорд, впоследствии живший в Европе, где он занимался различной деятельностью и, в частности, был военным министром Баварии. Был среди них и английский пивовар Джоуль, проделавший в свободное время ряд наиболее важных экспериментов, касающихся сохранения энергии.

Джоуль экспериментально подтвердил предположение о том, что теплота – это форма энергии, и определил меру превращения.

Стоит потратить время, чтобы посмотреть, каковы были его опыты.

Кинетическая и потенциальная энергии системы составляют вместе её механическую энергию. Мы предполагаем, что в случае движения вагона по волнообразной горке часть механической энергии превращается в теплоту. Если это верно, то как в этом, так и во всех других аналогичных физических процессах должна существовать определённая мера превращения механической энергии в тепловую (механический эквивалент теплоты). Это строго количественный вопрос, но тот факт, что данное количество механической энергии может быть превращено в определённое количество теплоты, весьма важен. Нам хотелось бы знать, каким числом выражается мера превращений, т. е. сколько теплоты мы получим из данного количества механической энергии.

Определение этого числа как раз и было предметом исследований Джоуля. Механизм одного из его экспериментов очень похож на механизм часов с гирями. Завод таких часов состоит в поднятии двух гирь, благодаря чему увеличивается потенциальная энергия системы. Если такие часы ни с чем не связаны, их можно считать замкнутой системой. Постепенно гири опускаются и часы идут. По прошествии определённого времени гири достигнут своего наинизшего положения и часы остановятся. Что произошло с энергией? Потенциальная энергия гирь превратилась в кинетическую энергию механизма, а затем постепенно рассеялась в виде теплоты.

Рис. 20

Искусное изменение в механизме этого рода позволило Джоулю измерить тепловую потерю, а тем самым и меру превращения. В его приборе две гири вызывали вращение колеса с лопастями, помещённого в воду (рис. 20). Потенциальная энергия гирь превращалась в кинетическую энергию движущихся частиц воды, а стало быть, в теплоту, которая увеличивала температуру воды. Джоуль измерял это изменение температуры и, зная теплоёмкость воды, подсчитывал количество поглощённой теплоты. Он подытожил результаты многих опытов в следующих положениях:

1. Количество теплоты, произведённой трением тел, твёрдых или жидких, всегда пропорционально количеству затраченной силы (силой Джоуль называл энергию).

2. Количество теплоты, необходимое для увеличения температуры фунта воды (взвешенной в вакууме и взятой при температуре между 55 и 60 °F) на 1 °F, требует для своего развития расхода механической силы (энергии), представленной падением 772 фунтов с высоты в 1 фут.

Другими словами, потенциальная энергия 772 фунтов, поднятых на 1 фут над землёй, эквивалентна количеству теплоты, необходимой для того, чтобы поднять температуру 1 фунта воды от 55 до 56 °F.

Последующие эксперименты уточнили числа, но Джоуль в своей работе сделал самое главное – открыл механический эквивалент теплоты.

После того как эта важная работа была сделана, дальнейший прогресс шёл быстро. Скоро было признано, что механическая энергия и тепловая – это только две из многих форм энергии. Всё, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, есть тоже форма энергии. Излучение, испускаемое Солнцем, есть энергия, ибо часть её превращается на Земле в теплоту. Электрический ток обладает энергией, ибо он нагревает проводник и вращает ротор мотора. Уголь обладает химической энергией, высвобождающейся в виде теплоты во время сгорания. В каждом явлении природы одна форма энергии превращается в другую – всегда при некоторой вполне определённой мере превращения. В замкнутой системе, изолированной от внешних влияний, энергия сохраняется и, следовательно, ведёт себя подобно субстанции. Сумма всех возможных форм энергии в такой системе постоянна, хотя количество любого из этих видов энергии может изменяться. Если мы рассматриваем всю Вселенную как замкнутую систему, мы можем вместе с физиками XIX столетия гордо заявить, что энергия Вселенной неизменна, что никакая часть её никогда не может быть создана или уничтожена.

В таком случае существуют два понятия субстанции – вещество и энергия. Оба подчиняются законам сохранения: масса и полная энергия изолированной системы не могут изменяться. Вещество имеет вес, а энергия невесома. Поэтому мы имеем два различных понятия и два закона сохранения. Можно ли и теперь использовать эти идеи в прежнем виде? Или эта несомненно хорошо обоснованная картина изменилась в свете новейших исследований? Да, изменилась! Дальнейшие изменения в обоих понятиях связаны с теорией относительности. Мы вернёмся к этому вопросу позднее.