Важнейшие достижения естествознания 19 века

     Говоря  о втором начале, нельзя не упомянуть  имя Людвига Больцмана, предпринявшего попытку объяснить, почему порядок уступает место беспорядку. В 1871 году Больцман указал, что второй закон термодинамики может быть выведен из классической механики только с помощью теории вероятности. Ученый показал, что энтропия термодинамического состояния пропорциональна вероятности этого состояния и что вероятности состояний могут быть рассчитаны на основании отношения между численными характеристиками соответствующих этим состояниям распределений молекул. Это так называемая «Н(аш)-теорема» стала вершиной учения Больцмана о мироздании. Своей Н-теоремой Л.Больцман заявил, что «тепловая смерть – блеф. Никакого конца света не предвидится. Второе начало надо применять по отношению к отдельным атомам и молекулам».⁴ Из теоремы следовал вывод о том, что энтропия может только возрастать - таково поведение термодинамических систем во времени.

     Вокруг  Н-теоремы мгновенно разгорелись дискуссии. Суть заключается в том, что с помощью одной основанной на механике Ньютона молекулярной теории доказать постоянный рост энтропии замкнутой системы нельзя, поскольку ньютоновская механика симметрична во времени - любое движение атомов, основанное на законах ньютоновской механики, может быть представлено как происходящее в обратном направлении. Т.к. асимметрию нельзя вывести из симметрии, то теорема Больцмана (которая на основе лишь одной механики Ньютона утверждает, что возрастание энтропии асимметрично во времени) не может быть верной - для доказательства необходимо было к законам механики добавить и асимметрию. Так что чисто механическая интерпретация закона возрастания энтропии оказывалась несостоятельной. Н-теорема Больцмана описывает механизм перехода газа из состояния с низкой энтропией в равновесное, но не объясняет, почему это происходит в одном и том же направлении во времени, а именно из прошлого в будущее. А раз это так, то больцмановская модель лишается временной асимметрии.

     Но  временная асимметрия - это реальный факт. Упорядоченность реальных систем может возникать за счет внешних  воздействий, а не за счет внутренних беспорядочных. В реальности все  системы формируются под воздействием окружающей среды. В реальном мире больцмановских систем нет.

     Таким образом, дискуссия по поводу второго  начала термодинамики способствовала уяснению того, что второе начало термодинамики  является законом статистическим, то есть имеет границы своей применимости: оно не применимо к движению отдельной молекулы.

     Третье  начало термодинамики (теорема  Нернста). Третье начало термодинамики гласит: «энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю принимает значение, которое не зависит от параметров системы и остается неизменной. Такое значение можно положить равным нулю». Другие формулировки теоремы: при стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояния системы не изменяют ее энтропии; при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры абсолютного нуля. М.Планк дополнил теорему гипотезой, согласно которой энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Из теоремы вытекают важные следствия о свойствах веществ при температурах, близких к абсолютному нулю: приобретают нулевое значение удельные теплоемкости при постоянных объеме и давлении, термический коэффициент расширения и давления. Кроме того, из теоремы следует недостижимость абсолютного нуля температуры при конечной последовательности термодинамических процессов.

     Если  первое начало термодинамики утверждает, что теплота есть форма энергии, измеряемая механической мерой, и невозможность  вечного двигателя первого рода, то второе начало термодинамики объявляет  невозможным создание вечного двигателя  второго рода. Первое начало ввело функцию состояния - энергию, второе начало ввело функцию состояния - энтропию. Если энергия закрытой системы остается неизменной, то энтропия этой системы, состоящая из энтропий ее частей, при каждом изменении увеличивается - уменьшение энтропии считается противоречащим законам природы. Сосуществование таких независимых друг от друга функций состояния, как энергия и энтропия, дает возможность делать высказывания о тепловом поведении тел на основе математического анализа. Поскольку обе функции состояния вычислялись лишь по отношению к произвольно выбранному начальному состоянию, определения энергии и энтропии не были совершенными. Третье начало термодинамики позволило устранить этот недостаток. Важное значение для развития термодинамики имели установленные Ж.Л.Гей-Люссаком законы - закон теплового расширения и закон объемных отношений. Б.Клапейрон установил зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа (давлением, объемом и температурой), обобщенное Д.И.Менделеевым.

     Таким образом, концепции классической термодинамики описывают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно, поэтому время в основные уравнения не входит) процессы. Термодинамика неравновесных процессов возникает позднее - в 30-х гг. ХХ века.  

     Возникновение предпосылок атомной  и ядерной физики 

     Концепции атомной и ядерной физики будут  развертываться в ХХ столетии, но события, давшие им толчок, произошли в конце XIX столетия. На стыке XIX и ХХ вв. в  науке свершились открытия, заставившие заколебаться сложившуюся картину мира. Представлениям, основанным на классической механике, суждено было уступить место новой, остающейся до сих пор во многом не завершенной картине мира. События, положившие начало процессу смены картины мира, связаны с открытием рентгеновских лучей и радиоактивности (1895-1896гг.), открытием электрона (1897г.), структуры кристалла (1912г.), нейтрона (1932г.), деления ядра атома (1938г.) и т.д., а также с теоретическими работами: квантовой теорией М.Планка (1900г.), специальной теорией относительности А.Эйнштейна (1905г.), атомной теорией Резерфорда - Н.Бора (1913г.), общей теорией относительности А.Эйнштейна (1916г.), волновой механики Л.де Бройля и Э.Шредингера (1923-1926гг.) и т.д. Поскольку в основу изложения развития физических концепций был положен и хронологический принцип, то и научные открытия, происшедшие в конце XIX столетия (хотя главные события, последующие за ними, будут происходить уже в ХХ столетии), целесообразно рассмотреть в русле развития физики конца XIX столетия.

     Конец XIX века демонстрировал наличие теории, удовлетворяющей практическим потребностям. Явления электромагнетизма использовались в осветительных и силовых  устройствах. Термодинамические концепции  привели к созданию двигателя внутреннего сгорания и химических установок. Электромагнитная теория вызвала к жизни радио. Эти достижения были практической реализацией утвердившихся научных знаний, от которых трудно было ожидать чего-то принципиально нового. Так что радикальные сдвиги следовало ожидать в тех областях физики, которые до сих пор находились в тени и в которых наблюдались какие-то явления, не укладывавшиеся в существующие физические концепции. Область физики, занимавшаяся изучением электрических разрядов, оказалась именно такой. Однако проводившиеся с электрическими разрядами в вакууме опыты  привели к интересным результатам, а электротехническая промышленность обнаружила потребность в совершенствовании вакуумной техники. Все это усилило интерес к исследованиям в этой области физики.

     Первым  результатом усиления этого интереса было открытие У.Круксом катодных лучей, которые он назвал лучистой формой материи. Д.Стоней назвал катодные лучи электронами, Ж.Перрен обнаружил у  них отрицательный заряд, а Д.Томсон измерил их скорость. Следующим шагом было совершено непредвиденное открытие К.Рентгеном - обнаружение Х-лучей (получивших название рентгеновских), исходивших из катодно-лучевой разрядной трубки. Это открытие, помимо практических перспектив, имело важное значение для других областей физики. Д.Томсон установил, что не только электроны, которые ударялись о какое-либо вещество, порождали рентгеновские лучи, но и последние при ударе о вещество порождают электроны. Это явление, как было установлено впоследствии, было обусловлено фотоэлектрическим эффектом. Тот факт, что электроны могли извлекаться из различных веществ, свидетельствовало о принадлежности их к электрической материи. Поскольку она состояла из отдельных частиц (атомов), то это побудило Д.Томсона обратиться к раскрытию внутренней структуры атома. Существование электрона - заряженной частицы с массой, которая меньше массы атома и которая появляется из вещества при определенных условиях, наводила на мысль о том, что эта частица является структурным элементом атома. А если атом электрически нейтрален, то должен быть структурный элемент и с положительным зарядом.

     Первая  модель атома, предложенная В.Томсоном и затем Д.Томсоном, включала шарообразное облако положительного заряда, внутри которого находятся электроны, расположенные в этом облаке концентрическими кольцами. Данная модель просуществовала недолго. Но это был первый шаг в раскрытии структуры атома. Следующие модели атома появились уже в ХХ веке (модель Э.Резерфорда и модель Н.Бора).

     Открытие  рентгеновских лучей было случайным. Открытие радиоактивности, последовавшее вслед за открытием рентгеновских лучей, также оказалось случайным. А.Беккерель пытался установить, не излучаются ли подобные лучи другими телами. Из различных веществ, которыми он располагал, Беккерель случайно избрал соли урана. лучи, исходящие из урана, были радиоактивными, причем получались без каких-либо устройств - они испускались самим радиоактивным веществом. Пьер и Мария Кюри выделили еще более сильные радиоактивные элементы - полоний и радий. Э.Резерфорд, изучая характер радиоактивного излучения, открыл альфа-лучи и бета-лучи и объяснил их природу. М.Планк установил, что атомы отдают энергию не непрерывно, а порциями, т.е. существование предельного количества действия, контролировавшего количественно все энергетические обмены в атомных системах. К.Лоренц создал электронную теорию, синтезировавшую идеи теории поля атомной теории. И хотя первоначально он не употреблял термина "электрон", а говорил о положительно и отрицательно заряженных частицах вещества, открытие радиоактивности и превращения атомов поколебало физические и химические представления XIX века. Это касалось закона неизменных элементов, установленного Лавуазье. Самопроизвольный радиоактивный распад в условиях отсутствия опытных данных о синтезе новых атомов мог истолковываться как односторонний процесс постепенного разрушения вещества во Вселенной. Открытие первой субатомной частицы - электрона - выглядело аргументом в пользу отвергнутых представлений об электрической субстанции. Казалось, что был поставлен под сомнение и закон сохранения энергии. Возникшая ситуация свидетельствовала о том, что новые экспериментальные факты не укладываются в существовавшую физическую парадигму. Таким образом, обозначились истоки революционных преобразований в физических концепциях. Первый этап этих преобразований начался в конце XIX века. Последующие этапы развертывались уже в XX веке.

Химия XIX столетия 

     Атомы 

     XIX век характеризуется развитием  химической атомистики. Химическая  атомистика родилась из слияния старой натурфилософской идеи об атомах с опытными аналитическими данными о химическом количественном составе веществ. Большой вклад в развитие атомистики внесли Жозеф Луи Пруст, Джон Дальтон, Ж.Л. Гей–Люссак, Амедео Авогадро и др.

     Пруст установил, что постоянство соотношений компонентов наблюдается во многих соединениях. Он сформулировал общее правило, согласно которому все соединения содержат элементы в строго определенных пропорциях вне зависимости от условия получения этих соединений. Это правило называется законом постоянства состава или иногда законом Пруста.

     Джон  Дальтон – первооткрыватель закона кратных отношений и создатель  основ атомной теории. Он обнаружил, что два элемента могут соединяться  друг с другом в различных соотношениях, но при этом каждая новая комбинация элементов представляет собой новое соединение.

     В 1803 году Дальтон обобщил результаты своих наблюдений и сформулировал  важнейший закон химии – закон  кратных отношений. Этот закон полностью  отвечает атомистическим представлениям. Дальтон также создал новую версию атомистической теории, опиравшуюся на законы постоянства состава и закон кратных отношений. Эта теория нанесла последний удар по бытовавшим еще представлениям о возможностях взаимных переходов элементов-стихий.

     Главной заслугой Гей-Люссака в установлении химических закономерностей и особенно в создании атомно – молекулярных представлений было открытие законов простых объемных отношений при взаимодействии газов(если газы образуют соединение, соотношение их объемов всегда представляет собой соотношение кратных чисел). А.Авогадро принадлежит заслуга объяснения объемных законов Гей-Люссака посредством гипотезы, согласно которой одинаковые объемы всех газов содержат одно и то же число мельчайших частиц – молекул. При этом Авогадро удалось строго разграничить понятие о молекулах от представления об атомах.

     Работы  этих ученых внесли существенный вклад  в развитие химической атомистики. Они показали, что установление основных химических закономерностей требует  не только качественных, но и количественных исследований.⁵

     Веса  и символы. Поворотный этап в истории развития химической атомистики связан с именем шведского химика Йенса Якоба Берцелиуса. Он вслед за Дальтоном внес особенно большой вклад в создание атомистической теории.

     После того, как атомистическая теория была принята, стало возможным изображать вещества в виде молекул, содержащих постоянное число атомов различных элементов. Берцелиус решил, что для изображения элементов достаточно лишь начальных букв названий. Он предложил, чтобы каждому элементу соответствовал особый знак, который был бы одновременно и символом элемента, и символом одиночного атома этого элемента, и с качестве такого знака предложил использовать начальную букву латинского названия элемента. Так появились химические символы, которыми пользуются и поныне.