Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






ЧАСТЬ ВТОРАЯ. НАУКА О СЛОЖНОСТИ



 

Глава 4. ЭНЕРГИЯ И ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ВЕК

Тепло — соперник гравитации

Ignis mutat res*. Это высказывание, известное с не­запамятных времен, всегда связывало химию с «наукой об огне». В XVIII в., начиная с концептуальной перест­ройки, вынудившей науку пересмотреть то, что ранее отвергалось ею во имя механистического мировоззре­ния, а именно такие понятия, как «необратимость» и «сложность», огонь стал частью экспериментальной науки.

Огонь преобразует материю. Он приводит к химиче­ским реакциям, к таким процессам, как плавление и ис­парение. Огонь заставляет топливо сгорать и высвобож­дать тепло. Из всех этих общеизвестных фактов наука XIX в. сосредоточила внимание на одном; горение сопро­вождается выделением тепла, а подвод тепла может вы­зывать увеличение объема, в результате чего горение со­вершает работу. Таким образом, огонь приводит к созда­нию машины нового типа — тепловой машины, — техно­логическому новшеству, ставшему основой индустриаль­ного общества1.

Интересно отметить, что Адам Смит работал над сво­им «Исследованием о природе и причинах богатства на­родов» и собирал данные о перспективах и определяю­щих факторах роста промышленности в том самом уни­верситете, в стенах которого Джеймс Уатт завершал до­водку своей паровой машины. Тем не менее Адам Смит смог найти для каменного угля единственно полезное применение — как источник тепла. (В XVIII в. еще не были известны другие источники энергии, кроме воды,

* Огонь движет вещами (лат.). — Прим. перев.


ветра, мускульной силы животных и приводимых ими в движение простейших машин.)

Быстрое распространение британской паровой маши­ны вызвало новый интерес к механическому действию теплоты, и термодинамика, детище этого интереса, зани­малась не столько выяснением природы тепла, сколько скрытыми в теплевозможностями производства «меха­нической энергии».

Что же касается рождения «науки о сложности», то мы предлагаем датировать его 1811 годом, когда барону Жан-Батисту Жозефу Фурье, префекту Изера, была при­суждена премия Французской академии наук за матема­тическую теорию распространения тепла в твердых те­лах.

Установленный Фурье результат был удивительно прост и изящен: поток тепла пропорционален градиенту температуры. Замечательно, что этот простой закон при­меним к веществу, в каком бы состоянии оно ни находи­лось: твердом, жидком или газообразном. Кроме того, закон Фурье выполняется независимо от химического со­става тела, будь оно из золота или из железа. Специфи­ческим для каждого вещества является коэффициент пропорциональности между тепловым потоком и гради­ентом температуры.



Ясно, что универсальный характер закона Фурье не связан непосредственно с динамическими взаимодейст­виями, описываемыми законом Ньютона, поэтому фор­мулировку закона теплопроводности можно рассматри­вать как исходную точку науки нового типа. Действи­тельно, простота предложенного Фурье математического описания распространения тепла разительно контрасти­рует со сложностью вещества, рассматриваемого с точки зрения его молекулярного строения. Твердое тело, газ или жидкость представляют собой макроскопические си­стемы, состоящие из огромного числа молекул, и тем не менее теплопроводность описывается одним-единствен­ным законом. Фурье вывел свой закон в то время, когда в европейской науке школа Лапласа занимала господ­ствующее положение. Лаплас, Лагранж и их ученики пытались объединенными усилиями критиковать теорию Фурье, но были вынуждены отступить2. Сбывшаяся бы­ло мечта Лапласа потерпела первое поражение. Фурье создал физическую теорию, не уступавшую по математи­ческой строгости механическим законам движения, но в


то же время остававшуюся совершенно чуждой ньюто­новскому миру. С момента появления теории теплопро­водности Фурье математика, физика и ньютоновская наука перестали быть синонимами.

Открытие закона теплопроводности имело непреходя­щее значение. Интересно отметить, что с появлением за­кона Фурье исторические пути развития физики во Фран­ции и Англии разошлись и к современному этапу фран­цузские физики и их английские коллеги следовали раз­личными маршрутами.

Во Франции крушение мечты Лапласа привело к по­зитивистской классификации науки на иерархически упо­рядоченные отделы, предложенные Огюстом Контом. Контовская классификация науки была подробно про­анализирована Мишелем Серром3. В физике сосущест­вуют две универсалии: тепло и гравитация. Более того, как вынужден признать позднее Конт, эти две универса­лии — антагонисты. Гравитация действует на инертную массу, которая подчиняется гравитации, не испытывая ее действия иным путем, кроме как через движение, кото­рое приобретает или передает. Тепло преобразует веще­ство, определяет изменения состояния и вызывает изме­нения внутренних свойств. В некотором смысле это было подтверждением протеста химиков-антиньютонианцев и всех тех, кто подчеркивал различие между чисто про­странственно-временным поведением, приписываемым массе, и специфической активностью вещества. Именно такое различие и было принято за основу классификации наук, проведенной Контом по общему признаку — поряд­ку, т. е. равновесию. К механическому равновесию сил позитивистская классификация просто добавила понятие теплового равновесия.



С другой стороны, в Британии с появлением теории распространения тепла отнюдь не прекратились попытки объединения всех областей знания, более того, там на­метилось новое направление научных исследований — первые шаги в создании теории необратимых процес­сов.

Закон Фурье, если его применить к изолированному телу с неоднородным распределением температуры, опи­сывает постепенное установление равновесия. Теплопро­водность приводит к все большему выравниванию рас­пределения температуры до тех пор, пока распределе­ние во всем теле не станет однородным. Всякий знает,


что выравнивание температуры — процесс необратимый. Еще столетие назад Берхаве подчеркивал, что тепло всегда распространяется и выравнивается. Таким обра­зом, наука о сложных явлениях (основанных на взаимо­действии большого числа частиц) и временная асиммет­рия с самого начала оказались взаимосвязанными. Но теплопроводность стала исходным пунктом исследований природы необратимости не раньше, чем была установле­на ее связь с понятием «диссипация», рассматриваемым с инженерной точки зрения4.

Познакомимся несколько подробнее со структурой новой «науки о тепле» в том виде, в каком она сложи­лась в начале XIX в. Подобно механике, наука о тепле включала в себя и оригинальную концепцию физическо­го объекта, и определение машины, или двигателя, т. е. отождествление причины и следствия в специфическом способе производства механической работы.

При исследовании физических процессов, связанных с теплом, состояние системы необходимо задавать, ука­зывая не положения и скорости ее составных частей (в объеме газа порядка 1 см3 содержится около 1023 мо­лекул), как в случае динамики, а некоторую совокуп­ность макроскопических параметров, таких, как темпера­тура, давление, объем и т. д. Кроме того, необходимо учитывать граничные условия, описывающие отношение системы к окружающей среде.

В качестве примера рассмотрим одно из характер­ных свойств макроскопической системы — ее удельную теплоемкость. Напомним, что удельной теплоемкостью называется количество тепла, которое необходимо сооб­щить системе, чтобы поднять ее температуру на один градус при постоянном объеме или давлении. Чтобы ис­следовать удельную теплоемкость (например, при посто­янном объеме), систему необходимо привести во взаимо­действие с окружающей средой: система должна полу­чить определенное количество тепла, в то время как объем ее поддерживается постоянным, а температура может изменяться.

В более общем случае систему можно подвергнуть механическому воздействию (например, поддерживать постоянство давления или объема с помощью поршня), тепловому воздействию (подводить к системе или отво­дить от нее некоторое количество тепла) или химическо­му воздействию (создавать поток реагирующих веществ


и продуктов реакции между системой и окружающей средой). Как мы уже упоминали, давление, объем, хими­ческий состав и температура являются классическими физико-химическими параметрами, через которые выра­жаются свойства макроскопических систем. Термодина­мику можно определить как науку о корреляции между изменениями этих свойств. Следовательно, термодинами­ческие объекты приводят к новой по сравнению с дина­мическими объектами точке зрения. Цель теории состо­ит не в предсказании поведения системы в терминах взаимодействия частиц, а в предсказании реакции систе­мы на изменения, вводимые нами извне.

Механическое устройство (машина) возвращает в ви­де работы потенциальную энергию, полученную им из внешнего мира. Причина и следствие имеют одинаковую природу и, по крайней мере в идеальном случае, эквива­лентны. Действие тепловой машины, в отличие от меха­нического устройства, сопряжено с материальными изме­нениями состояний, включающими преобразование меха­нических свойств системы, расширением и увеличением объема. Производимую тепловым двигателем работу сле­дует рассматривать как результат подлинного процесса преобразования, а не только передачи движения. Таким образом, тепловая машина — не пассивное устройство. Строго говоря, она производит движение. С этой особен­ностью тепловой машины связана новая проблема: что­бы восстановить способность системы производить дви­жение, ее необходимо возвратить в начальное состояние. Следовательно, необходим второй процесс, второе изме­нение состояния, которое компенсировало бы то измене­ние, которое производит движение. В тепловой машине таким вторым процессом, противоположным первому, является охлаждение системы до начальных значений температуры, давления и объема.

Понятие необратимого процесса было введено в фи­зику в связи с проблемой повышения коэффициента по­лезного действия (кпд) тепловых машин, т. е. отноше­ния между производимом работой и теплом, которое не­обходимо подвести к системе, чтобы осуществить два взаимно компенсирующих, процесса. Мы еще вернемся к вопросу о значении закона Фурье для этой проблемы, но сначала опишем ту существенную роль, которую играет закон сохранения энергии.


Принцип сохранения энергии

Мы уже отмечали, что в классической динамике энер­гия занимает центральное место. Гамильтониан (сумму кинетической и потенциальной энергий) можно предста­вить в канонических переменных — координатах и им­пульсах. В процессе движения значения канонических переменных изменяются, значение же гамильтониана ос­тается постоянным. Динамическое изменение лишь пере­распределяет относительную значимость потенциальной и кинетической энергий, оставляя неизменной их сумму.

Начало XIX в. совпало с бурным периодом в истории экспериментальной физики5. Нескончаемая вереница от­крытий показала физикам, что движение способно по­рождать не только изменения в относительных положе­ниях тел в пространстве. Новые процессы, открытые в лабораториях, постепенно создали сеть, связавшую во­едино все новые области физики с другими более тради­ционными областями, например с механикой. Одну из таких связей неожиданно обнаружил Гальвани. До него были известны только статические электрические заря­ды. Производя опыты с препаратами лапок лягушек, Гальвани впервые экспериментально наблюдал действие электрического тока. А. Вольта вскоре понял, что «галь­ванические» сокращения лапок лягушки вызывает про­ходящий через них электрический ток. В 1800 г. Вольта построил химическую батарею: стало возможным полу­чать электричество с помощью химических реакций. За­тем был открыт электролиз: электрический ток позволял изменять химическое сродство и проводить химические реакции. Но электрический ток давал также свет и теп­ло, а в 1820 г. Эрстед обнаружил, что электрический ток оказывает действие и на магнитную стрелку. В 1822 г. Зеебек показал, что тепло может быть источником элек­тричества, а в 1834 г. им был открыт способ охлаждения вещества с помощью электричества. В 1831 г. Фарадей индуцировал электрический ток с помощью магнитных эффектов. Так постепенно была открыта целая совокуп­ность новых физических эффектов. Естественнонаучный горизонт расширялся с неслыханной быстротой.

Решающий шаг был сделан в 1847 г. Джоулем: он понял, что связи, обнаруженные между выделением или поглощением тепла, электричеством и магнетизмом, про­теканием химических реакций, а также биологическими


объектами, носят характер «превращения». Идея превра­щения, опирающаяся на постулат о количественном со­хранении «чего-то» при его качественных изменениях, обобщает то, что происходит при механическом движе­нии. Как мы уже знаем, полная энергия сохраняется, в то время как потенциальная энергия переходит, пре­вращается в кинетическую, и наоборот. Джоуль опреде­лил общий эквивалент для физико-химических трансфор­маций, что позволило измерить сохраняющуюся величи­ну. Впоследствии6 эта величина стала известна как «энергия». Джоуль установил первую эквивалентность, измерив механическую работу, которую необходимо за­тратить, чтобы поднять температуру данного количества воды на один градус. Так среди ошеломляющего потока новых разнообразных открытий был обнаружен унифи­цирующий элемент. Сохранение энергии при самых раз­личных преобразованиях, претерпеваемых физическими, химическими и биологическими системами, стало путе­водным принципом в исследовании новых процессов.

Неудивительно, что закон сохранения энергии был столь важен для физиков XIX в. Для многих из них он был воплощением единства природы. Это убеждение от­четливо звучит в высказывании Джоуля, выдержанном в традициях английской науки:

«Явления природы, механические, химические или биологические, состоят почти полностью из непрерывно­го превращения тяготения на расстоянии живой силы [кинетической энергии] в тепло, и наоборот. Тем самым поддерживается порядок во Вселенной: ничто не расстрачивается, ничто не утрачивается, а весь механизм при всей своей сложности работает слаженно и гармо­нично. И хотя, как в ужасном видении пророка Иезекииля, «казалось, будто колесо находилось в колесе» (Иезек, 1, 16) и все кажется сложным и вовлеченным в хит­росплетения почти неисчерпаемого многообразия причин, следствий, превращений и выстраивания в определенной последовательности, тем не менее сохраняется идеаль­нейший порядок и все бытие послушно непререкаемой воле бога»7.

Еще более показателен случай немецких ученых Гельмгольца, Майера и Либиха. Все трое принадлежали к культурной традиции, которая отвергла бы взгляды Джоуля с позиций чисто позитивистской практики. В ту пору, когда они совершали свои открытия, ни один из


них не был, строго говоря, физиком. Однако их всех ин­тересовала физиология дыхания. Со времен Лавуазье это был своего рода эталон проблемы, в которой функ­ционирование живого существа поддавалось описанию в точных физических и химических терминах, таких, как расход кислорода при горении, выделение тепла и мус­кульная работа. Эта проблема привлекала физиологов и химиков, чуждых чисто умозрительным построениям ро­мантиков и жаждущих внести свой вклад в экспери­ментальную науку. Обстоятельства, при которых эти трое ученых пришли к заключению, что дыхание, да и природа в целом подчиняются универсальной «эквива­лентности», лежащей в основе всех, больших и малых, явлений, позволяют утверждать, что именно немецкой философской традиции открыватели закона сохранения энергии обязаны своей концепцией, совершенно чуждой позитивисткой позиции: все трое без малейших колеба­ний пришли к выводу о всеобщем характере закона со­хранения энергии, о том, что он пронизывает всю приро­ду до мельчайших кирпичиков мироздания.

Особенно замечательным нам представляется случай Майера8. Работая в молодые годы врачом в голланд­ских колониях на Яве, Майер обратил внимание на ярко красный цвет венозной крови у одного из своих пациен­тов. Это наблюдение привело его к заключению, что жи­телям жаркого тропического климата требуется меньше кислорода для поддержания нормальной температуры тела, чем в средних широтах, чем и объясняется яркий цвет их крови. Майер продолжил свои исследования и установил баланс между потреблением кислорода, яв­ляющимся источником энергии, и потреблением энергии, затрачиваемой на поддержание постоянной температуры тела, несмотря на тепловые потери и мышечную работу. Это была счастливая догадка, так как причиной яркого цвета крови пациента вполне могла быть, например, его «лень». Но Майер не остановился на достигнутом и, про­должив свои рассуждения, пришел к заключению, что баланс потребления кислорода и тепловых потерь — не более чем частное проявление существования какой-то неразрушимой «силы», лежащей в основе всех явлений.

Тенденция видеть в явлениях природы продукты ле­жащей в их основе реальности, сохраняющей постоян­ство при всех трансформациях, поразительно напомина­ет идеи Канта. Влияние Канта отчетливо ощущается


и в другой идее, которую разделяли некоторые физио­логи: в необходимости различать витализм как философ­скую спекуляцию и витализм как проблему научной ме­тодологии. Для тех физиологов, кто придерживался этой точки зрения, даже если бы существовала «жиз­ненная» сила, лежащая в основе функционирования жи­вых организмов, объект физиологии по своей природе оставался бы чисто физико-химическим. По двум на­званным выше причинам кантианство, узаконившее ту систематическую форму, которую приняла математиче­ская физика в XVIII в., по праву может считаться од­ним из источников обновления физики в XIX в.9

Гельмгольц совершенно открыто признавал влияние Канта. Для Гельмгольца закон сохранения энергии был лишь воплощением в физике общего априорного требо­вания, на котором зиждется вся наука, а именно посту­лата о фундаментальной инвариантности, которая кро­ется за всеми трансформациями, происходящими в при­роде:

«Цель указанных* наук заключается в отыскании законов, благодаря которым отдельные процессы в при­роде могут быть сведены к общим правилам и могут быть снова выведены из этих последних. Эти правила, к которым относятся, например, законы преломления или отражения света, закон Мариотта и Гей-Люссака для объема газов, являются, очевидно, не чем иным, как общим видовым понятием, которым охватываются все относящиеся сюда явления. Разыскание подобных законов является делом экспериментальной части наших наук; теоретическая часть старается в то же время опре­делить неизвестные причины явлений из их видимых действий; она стремится понять их из закона причин­ности.

Мы вынуждены были так поступать и имеем на это право благодаря основному закону, по которому всякое изменение в природе должно иметь достаточное осно­вание. Ближайшие причины, которым мы подчиняем естественные явления, могут быть в свою очередь не­изменными или изменяющимися. В последнем случае тот же закон принуждает нас искать другие причины этого изменения и так далее до тех пор, пока мы не доходим до последних причин, которые действуют по

* Физических, естественных. — Прим. перев.


неизменному закону и которые, следовательно, в каждое время при одинаковых условиях вызывают одно и то же действие. Конечной целью теоретического естество­знания и является, таким образом, разыскание послед­них неизменных причин явлений в природе»10.

С появлением закона сохранения энергии начала формироваться идея о новом золотом веке физики, ко­торый должен был бы в конечном счете привести к наи­более широкому обобщению механики.

Открытие закона сохранения энергии имело далеко идущие культурные последствия. В их число входило и представление об обществе и человеке как о машинах, преобразующих энергию. Но превращение энергии не может быть конечным звеном цепи. Оно отражает пас­сивные и управляемые аспекты природы, но за ними должен находиться еще один более «активный» уровень. Ницше был одним из тех, кто уловил эхо актов творе­ния и разрушения, выходящих за рамки одного лишь сохранения или превращения. Результаты, являющиеся различиями, могут порождать только различие, напри­мер разность температур или уровней потенциальной энергии11. Превращение энергии есть всего лишь унич­тожение одного различия с одновременным созданием другого. Сила природы оказывается, таким образом, скрытой использованием эквивалентностей. Но суще­ствует другой аспект природы, имеющий непосредствен­ное отношение к котлам паровых двигателей, химиче­ским превращениям, жизни и смерти и выходящий за рамки эквивалентностей и сохранения энергии12. Говоря об этом аспекте, мы подходим к самому важному вкла­ду термодинамики в естествознание — понятие необра­тимости.


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2018 год. Все права принадлежат их авторам!