Eduardo Perez - Вселенная погибнет от холода. Больцман. Термодинамика и энтропия.

• Название: Вселенная погибнет от холода. Больцман. Термодинамика и энтропия.
• Автор: Eduardo Perez
• Жанр: Физика

Людвиг Больцман - одна из главных фигур в современной физике. Развив активную деятельность в Вене конца XIX века, он произвел революцию в изучении материи, включив в него вероятность, и всеми силами отстаивал существование атомов в то время, когда многие философы и даже влиятельные ученые отрицали его. Несмотря на то что обновленное ученым понятие энтропии и основывающееся на нем начало термодинамики заложили основы квантовой и релятивистской революции в последующем веке, категоричные взгляды Больцмана не всегда встречали поддержку коллег, и это непонимание, возможно, было причиной его трагического самоубийства.

---

Воспользовавшись отношением d' = ct' и возведя обе стороны в квадрат, получаем:

(ct)2 = (ct)2 + (vt')2.

Если переписать уравнение и выразить t', в итоге получается формула временного растяжения:

Итак, мы видим, что время, обозреваемое вторым наблюдателем, больше, чем время, обозреваемое первым, несмотря на то что речь идет в точности об одном и том же событии. Подобные рассуждения приводят к выводу, что длины также не остаются постоянными, а изменяются в зависимости от скорости наблюдателя. Эффекты относительности начинают значительно ощущаться при скоростях, близких к скорости света, в то время как их практически не существует в повседневной обстановке.

РИС. 1

РИС . 2

Статистическая физика Больцмана была идеально определена в свете новой теории: для множества молекул в сосуде существует конечное число сочетаний для их значений энергии и положений, заданное ограничениями, которые накладывает квантовая механика. Результат столкновений действительно произволен, так что использование вероятности полностью оправдано. На самом деле введение квантовой механики также решало другие проблемы, такие как эргодическая гипотеза: поскольку существует конечное число возможных значений энергии, становится ясно, что рано или поздно молекула пройдет через них все.

Кажется, что этот сценарий означает полную победу Больцмана над Махом, но во второй половине XX века вскрылись некие неожиданности, из-за которых чаша весов, по крайней мере слегка, наклонилась в сторону последнего.

Изменение пришло из-за попытки "примирить" квантовую механику и специальную теорию относительности Эйнштейна. В последней пространство и время рассматриваются как часть одного и того же корпуса, называемого "пространство-время", в котором происходят все события во Вселенной. Одним из самых вызывающих прогнозов теории Эйнштейна было то, что один и тот же факт мог проявляться по-разному с позиции двух наблюдателей, которые будут двигаться с разной скоростью. Например, человек, который поедет на поезде, измерит длину своего вагона и получит в результате сто метров, в то время как человек, который поедет со скоростью, близкой к скорости света, получит меньший результат. Это логическое противоречие оказалось верным и было подтверждено экспериментально во многих случаях; на самом деле работа спутников GPS во многом построена на нем.

Теория относительности Эйнштейна также знаменита формулой E = mc2, согласно которой масса и энергия соотносятся и могут трансформироваться одна в другую. Это перекликалось с идеями Маха и, казалось, противоречило концепции Больцмана. Тот факт, что два наблюдателя могут получить разные результаты измерения в зависимости от скорости, стал вызовом для недавно зародившейся квантовой механики. Это было связано тем, что сама энергия частицы также зависела от скорости, на которой наблюдатель двигается относительно нее. Из-за соответствия между массой и энергией одна и та же масса частицы, казалось, меняется, когда ее наблюдают с позиции различных скоростей; действительно, если переместиться с достаточно большой скоростью относительно нее, то этой энергии будет достаточно, для того чтобы создать одну или более частиц той же массы. То есть там, где один наблюдатель видит только одну частицу, другой может увидеть тысячи, в зависимости от их относительных скоростей.

Это условие было очень сложно применить к квантовой механике, которая основывалась на так называемом уравнении Шрёдингера, предложенном им самим для описания поведения электронов и атомов, которое относилось только к одной частице. Решение пришло с введением понятия "поле". Поле — это некая абстрактная сущность, которая распространяется по пространству и которая сначала ассоциировалась с неким типом силы. Идея поля была разработана, чтобы преодолеть ньютоновское понятие действия на расстоянии, которое вызывало некоторое философское беспокойство у ученых с момента его появления. Вместо него было высказано предположение, что тело (например, Земля) создает вокруг себя нечто, называемое "гравитационным полем", невидимую сущность, которую можно было наблюдать только по тому действию, которое она производила на другие тела, погруженные в него. Любой объект внутри гравитационного поля Земли чувствует на себе силу притяжения к планете, которая зависит от его расстояния до ее центра.

Другое классическое поле (в том смысле, который имелся до развития квантовой механики) — это электромагнитное поле. Магнит создает магнитное поле вокруг себя, и его действие изменяет ориентацию всех магнитов в нем; точно так же электроны в атоме вращаются вокруг ядра, благодаря действию электрического поля, которое создают его протоны.

Квантовая механика взяла классическое понятие поля и приспособила его к новой реальности, где энергия дискретна, а поведение материи вероятностно. В этом новом свете частицы стали считаться маленькими возбуждениями поля, имеющими некоторые характеристики (такие как масса или заряд), определенными самой квантовой природой поля. Электромагнитное поле, например, порождает фотоны, частицы, которые каким-то образом передают электрическую силу и должны рассматриваться не как фундаментальные сущности, а как выражение лежащего в основе электромагнитного поля, которое проявляется в маленьких возбуждениях, ведущих себя как частицы.

После этого концептуального скачка другие сущности объединились в понятии поля. Сами электроны были описаны как возбуждение другого поля, окрещенного "полем Дирака", поскольку его открыл английский физик Поль Дирак (1902— 1984). Его теория также предсказывала существование другой частицы, которую он назвал "позитрон", поскольку это была копия электрона с противоположным зарядом. Никто не воспринимал это всерьез, пока в 1932 году ее не открыл Карл Андерсон (1905-1991), что дало стартовый сигнал квантовой механике полей, которая сегодня превратилась в большого теоретического монстра под названием "стандартная модель", это наиболее успешная когда-либо существовавшая физическая теория; ее самая недавняя победа — открытие в 2012 году бозона Хиггса, частицы, которая необходима для правильной работы теории и которую до того дня не могли наблюдать.

В сегодняшней картине спор Больцмана — Маха дает ничью: с одной стороны, Мах был прав, утверждая, что любая материя — это энергия, и даже в некотором смысле отрицая существование атомов (по крайней мере в качестве основополагающих конструктов); с другой стороны, Больцман был прав, представляя материю в несколько квантизованном виде, не непрерывной, а дискретной, и рассматривая теорию вероятностей в качестве отправной точки. Можно сказать, что на самом деле в споре победили факты, и природа оказалась намного более утонченной, чем мог предположить какой-либо ученый XIX века.

Но зато становится ясно, что вся физика XX и даже XXI века несет в себе наследие Больцмана: живы его методы и его идеи в сфере термодинамики; живы споры, которым он посвятил себя, и его тонкие догадки о природе времени. Также живы достижения поколения великих физиков и химиков, которых он обучал и чьи имена постепенно появлялись в этой книге. Больцману не удалось преодолеть неврастению, и он сдался, как раз когда мог бы начать наслаждаться своим вкладом; можно сказать, что ему не удалось пережить самого себя. После него остались семья, научное наследие и боль, большая, чем он сумел вынести. После этого полноватого жизнелюба осталось намного больше, чем надгробие с выбитой на нем формулой: осталась научная работа, наводящая на размышление и (почему бы и нет) вызывающая улыбку.

Список рекомендуемой литературы

Atkins, Р., Las cuatro leyes del universo, Barcelona, Espasa, 2008.

Boltzmann, L., Escritos de mecdnica у termodindmica, Madrid, Alianza Editorial, 1986.

Carnot, S., Reflexiones sobre el poder motriz del fuego, Madrid, Alianza Editorial ,1987.

Carroll, S., From eternity to here: the quest for the ultimate theory of time, Nueva York, Dutton, 2009.

Gamow, G., Biografta de la ftsica, Madrid, Alianza Editorial, 2007.

Gribbin, J., Historia de la ciencia, 1543-2001, Barcelona, Critica, 2003.

Kuhn, T.S., La estructura de las revoluciones cientificas, Madrid, Fondo de culture economica, 1981.

Penrose, R., Ciclos del tiempo: una extraordinaria nueva vision del universo, Barcelona, Debolsillo, 2011.

Sanchez Guillen, J., L.E. Boltzmann, el cienttfico que se adelanto a su tiempo, el hombre que lo vivio intensamente, Zaragoza, Prensas Universitarias de Zaragoza, 2009.

Schneider, E.D. y Sagan, D., La termodindmica de la vida: ftsica, cosmologia, ecologta у evolucion, Barcelona, Tusquets, 2008.

Указатель

Н-теорема 13, 50, 56, 61, 64, 73

Авогадро число 45

аксиоматизация 110

антропный принцип 135, 136

Аррениус, Сванте 9, 71, 113

атомная теория 8, 9,11, 12, 13, 19, 29, 31-35, 37, 40, 56, 73, 105, 108, 126, 130, 146

Бернулли, Даниил 42, 44

беспорядок 8, 9,65, 90, 91, 94, 133, 140

Бойль, Роберт 21, 22

Больцман Артур 95