ЧТО ТАКОЕ ЭНЕРГИЯ? (Натурфилософский анализ базовых начал термодинамики и обусловленных их нерациональностью коренных проблем всего естествознания)

Файл со статьей "Что такое энергия?" для копирования

Переход на главную страницу сайта

Термодинамика с ее основополагающими первым и вторым началами и непосредственно примыкающей к ней статистической физикой лежит сегодня по существу в фундаменте всей физической теории, а следовательно - и мировой науки вообще. В то же время сами эти ее фундаментальные начала, что и планируется показать в настоящей статье в конечном итоге, представляют собой во многом ошибочные утверждения, основанные на неверной логической интерпретации рассматриваемых конкретных природных явлений. Отзывы о статье прошу присылать по адресу: iglvov@mail.ru Буду рад обмену мнениями. Статья размещена на сайте 17 марта 2002 г. Львов Иосиф Георгиевич. Ч Т О Т А К О Е Э Н Е Р Г И Я ? Натурфилософский анализ базовых начал термодинамики и обусловленных их нерациональностью коренных проблем всего естествознания Должно... следовать мудрости природы, которая как бы больше всего боится произвести что-нибудь излишнее или бесполезное, но зато часто одну вещь обогащает многими действиями. Хотя все это очень трудно и даже почти невозможно осмыслить, однако, вопреки мнению многих, если Бог позволит, мы сделаем это яснее Солнца для людей, по крайней мере не невежд в математическом искусстве. Н. Коперник Моя задача была... показать, что все явления... объясняются гораздо проще и легче без флогистона, чем с его помощью. Я не жду, что мои взгляды будут сразу приняты; человеческий ум привыкает видеть вещи определенным образом, и те, кто в течение части своего поприща рассматривали природу с известной точки зрения, обращаются лишь с трудом к новым представлениям; итак, дело времени подтвердить или опровергнуть выставленные мною мнения. А. Л. Лавуазье Введение Наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными. Мы всегда должны быть готовы изменить эти представления, т.е. изменить аксиоматическую базу физики, чтобы обосновать факты восприятия логически наиболее совершенным образом. А. Эйнштейн Следуя математическому методу, мы совершенно теряем из виду объясняемые явления и поэтому не можем прийти к более широкому представлению об их внутренней связи, хотя и можем предвычислять следствия из данных законов... Мы должны найти такой прием исследования, при котором мы могли бы сопровождать каждый свой шаг ясным физическим изображением явления. Дж. К. Максвелл Термодинамика с ее основополагающими первым и вторым началами и непосредственно примыкающей к ней статистической физикой лежит сегодня по существу в фундаменте всей физической теории, а следовательно - и мировой науки вообще. В то же время сами эти ее фундаментальные начала, что и планируется показать в настоящей статье далее, представляют собой во многом ошибочные утверждения, основанные на неверной логической интерпретации рассматриваемых конкретных природных явлений. В итоге термодинамика носит по существу характер чисто математической теории, формулы которой действительно позволяют, говоря словами Максвелла, «предвычислять следствия из данных законов», но в логическом отношении (единственно только дающем возможность «прийти к представлению о внутренней связи» всех явлений) совершенно не удовлетворительны. Наиболее известным примером такого рода сугубо математических теорий является знаменитая геоцентрическая система Клавдия Птолемея - эта выдающаяся теоретическая концепция тоже позволяла весьма точно рассчитывать почти все астрономические события, но с логической точки зрения была настолько нерациональна, что с определенного момента напрямую стала препятствовать дальнейшему развитию всего естествознания. Лишь с утверждением пришедшей ей на смену гораздо более естественной в логическом отношении гелиоцентрической системы Николая Коперника стало возможным, как известно, открытие законов Иоганна Кеплера и объяснение их затем на принципиально единой общей основе в рамках созданной Исааком Ньютоном универсальной механической теории. Так и собственно термодинамика - связанный с нерациональностью ее базовых начал явный тормозящий эффект сегодня настолько силен, что значительно перевешивает ту несомненную пользу, которую эта концепция приносила прежде. Именно этим тормозящим эффектом, как мы коротко покажем далее, и обусловлены коренные проблемы большинства разделов современной физики, также являющихся сегодня вынужденно математическими концепциями. Как раз по данной основной причине между ними и отсутствует пока, к сожалению, столь необходимая «внутренняя связь», что дало даже повод выдающемуся физику ХХ века, одному из создателей квантовой электродинамики, лауреату Нобелевской премии Ричарду Фейнману прямо заявить в своей известной книге «Характер физических законов»: «Сегодня наши физические теории, законы физики - множество разрозненных частей и обрывков, плохо сочетающихся друг с другом. Физика еще не превратилась в единую конструкцию, где каждая часть - на своем месте. Пока что мы имеем множество деталей, которые трудно подогнать друг к другу» [1, С.27]. Базовая же цель всей фундаментальной науки выражена им при этом следующим совершенно однозначным образом, определяющим, в конечном счете, и саму главную задачу данной конкретной статьи тоже: «Важнее всего понять внутреннее структурное единство мира; ...все науки, да и не только науки, любые интеллектуальные усилия направлены на понимание взаимосвязей между явлениями» [1, С.113]. Однако прежде, чем переходить к непосредственному разрешению данной основополагающей задачи, уточним предварительно еще один принципиально важный момент, без учета которого возможно возникновение определенных недоразумений. Дело в том, что истинное усовершенствование картины природы, на самом деле устанавливающее универсальную взаимосвязь между явлениями, редко когда достигается одним только устранением застарелых теоретических ошибок. Обычно для этого требуется, что хорошо видно на примере тех же теорий Птолемея и Коперника, еще и успешное разрешение целого ряда принципиально новых физических задач, как раз и становящееся затем действительной основой для коренного упрощения всей научной картины в целом. Упомянутая гелиоцентрическая система, скажем, только тогда стала общепризнанной моделью Солнечной системы, когда теория тяготения (и вообще вся ньютонова механика в целом, позволившая добиться гораздо более широких научных обобщений) сняла все сомнения относительно ее действительной истинности. А до этого суточное вращение Земли, например, объясняющее в коперниканской модели движение солнца по небосклону, смену дня и ночи на земном шаре и т. д., подвергалось очень многими сомнению хотя бы из-за того, что все находящиеся на поверхности Земли и не имеющие с ней жесткой связи предметы должны якобы отставать в таком случае от вращающейся планеты (или вообще сбрасываться с нее центробежной силой). В птолемеевой системе с неподвижной Землей в центре мира такой проблемы просто не возникало, и потому именно она казалась многим ближе к реальности, хотя свойственная ей картина природы, как мы теперь понимаем, существенно уступала коперниканской. Так же все обстоит и с термодинамикой - устранение ее принципиальных нелогичностей, которому и посвящена настоящая статья, тоже должно быть подкреплено затем успешным разрешением целого ряда дальнейших физических проблем, проглядывающих из руин старой концепции. И это отнюдь не слабость нового взгляда на тепловые явления, а его сила - точно так же, как всемирное тяготение нельзя было вывести из птолемеевой модели мира, так и отмеченные новые общефизические решения нельзя получить из старой термодинамики, маскирующей собой их острейшую необходимость. Благодаря же выводам настоящей статьи, как мы далее покажем, новые задачи встают перед физикой во всей своей очевидной полноте, что уже само по себе оправдывает предпринимаемые нами здесь усилия (даже если в наших рассуждениях - а это несомненно - и присутствуют определенные частные ошибки, которых предостаточно было в целом и собственно в теории Коперника). Лишь укоренившаяся за последние полтора столетия глубокая вера в кажущуюся непогрешимость официальной термодинамики (хотя до ее создания существовали и совершенно другие, в том числе и верные трактовки изучаемых здесь природных явлений) препятствует осознанию отмеченных новых проблем самими специалистами, и наша основная задача - помочь им преодолеть, в конце концов, это заблуждение. Само же разрешение названных проблем не составит уже в целом слишком большой трудности, в связи с чем мы тоже планируем принять в данной обязательной работе свое посильное участие. Сама же настоящая статья неизбежно носит, повторим, сугубо предварительный характер, в связи с чем мы приняли решение руководствоваться в ней далее еще одной поучительной мыслью того же Фейнмана, предваряющей на сей раз уже непосредственное изложение им самих термодинамики и молекулярной физики. «Каждый, кто всерьез хочет анализировать свойства вещества,- подчеркивает он в своих знаменитых «Лекциях по физике»,- должен сначала написать основные уравнения и попытаться решить их. Но каждого, кто начинал с этого, ждала неудача. Успех приходил лишь к тем, кто подходил к делу как физик: ...задачи в этой области столь сложны, что даже не очень четкая и половинчатая идея оправдывает затраченное на нее время, и можно то и дело возвращаться к одной и той же задаче, приближаясь понемногу к ее точному решению!» [8, С.240,241]. Так вот - исходя из данной абсолютно справедливой мысли и памятуя к тому же об общем напутствии великого Джемса Клерка Максвелла не спешить в целом прибегать к «математическому методу» (а использовать вместо него именно «такой прием исследования, при котором мы могли бы сопровождать каждый свой шаг ясным физическим изображением явления»), рассмотрим для начала сам интересующий нас главный вопрос на сугубо качественном натурфилософском уровне. В следующей статье «Что такое энтропия?» мы займемся уже непосредственно «написанием основных уравнений и попытками их решения», но для лучшего понимания самой центральной идеи, повторим, ограничимся пока в данной конкретной статье чисто качественным анализом. 1. О современном понимании энергии: натурфилософский взгляд Природа проста в своих законах, но неизмеримо богата и разнообразна в их приложениях! Г. В. Лейбниц Цель... наук заключается в отыскании законов, благодаря которым отдельные процессы в природе могут быть сведены к общим правилам. Г. Гельмгольц Энергия, как известно, и есть та базовая физическая характеристика, при помощи которой удается увязать между собой все явления материальной природы. Для этого она, собственно говоря, и была введена в физику, хотя исходно описываемые с ее помощью закономерности и относились к одной только механике. Сегодня же энергия уже однозначно определяется в «Физическом энциклопедическом словаре» (в дальнейшем - ФЭС) как «общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи», причем далее специально подчеркивается, что именно «понятие энергии связывает воедино все явления природы!» [2, С.903]. Что же касается имеющихся все же различий между указанными природными явлениями, то о влиянии таковых на собственно энергию в названном словаре говорится следующее: «В соответствии с различными формами движения материи рассматривают разные формы энергии: механическую, внутреннюю, электромагнитную, химическую, ядерную и др. Это деление до известной степени условно. Так, химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии взаимодействия электронов друг с другом и с атомными ядрами. Внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии хаотического движения молекул относительно центра масс тел и потенциальной энергии взаимодействия молекул друг с другом» [2, С.903]. Итак, как видим, не смотря на кажущееся многообразие существующих видов энергии, все они сводятся, в конечном счете, к кинетической энергии механического движения каких-либо частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Если принять к тому же во внимание, что и число известных сегодня фундаментальных взаимодействий, к которым сводятся все остальные, ограничено всего четырьмя, то количество фундаментальных видов энергии оказывается и вовсе минимальным. Но и это не предел - в последние сто лет предпринимаются энергичные попытки свести все известные взаимодействия к принципиально одному, еще более фундаментальному, что должно привести к окончательному единообразию, как легко понять, и в трактовке собственно энергии. Более того - это должно позволить, как предполагается, дать, наконец, универсальное объяснение самому данному понятию вообще, ибо пока энергия попросту лишена в физической теории какого-либо глубинного обоснования. Теория относительности, правда, показала, что энергия тела напрямую связана с его инертной массой, но это мало что прибавило к пониманию ее глубинной сути - масса и сама является пока сугубо математическим понятием с совершенно неизвестными внутренними причинами, так что сведение энергии к массе или наоборот ровным счетом ничего не объясняет в отношении их внутренней сущности. Во многом по данной очевидной причине (а также в интересах упрощения самого предстоящего анализа в целом) мы в основном не будем, поэтому, принимать далее во внимание ни упомянутую теорию относительности, ни многие другие специальные теории (в частности - квантовую), оставаясь пока полностью в рамках одной только классической физики. Ввиду отмеченного особого условия мы ограничимся также рассмотрением здесь только двух вполне «классических» взаимодействий - гравитационного и электромагнитного. Их изучения, впрочем, вполне достаточно для того, чтобы сполна осознать следующий не очень приятный для науки факт - упомянутые выше столетние усилия по разработке всеохватывающей физической теории с единственным фундаментальным взаимодействием в ее основе так и не увенчались пока, к сожалению, каким-либо заметным успехом. И основная причина этого, заметим сугубо предварительно, - как раз те самые ошибки термодинамики, исправлению которых и посвящена настоящая статья. Причем итоговое решение всей данной общей задачи, как нам представляется, следует искать в принципиально обратной последовательности - сначала необходимо осмыслить внутреннюю сущность собственно энергии, что и планируется осуществить в настоящей статье в конечном итоге, а затем уже на данной фундаментальной основе легко можно будет проанализировать, в частности, и глубинную природу всех взаимодействий. Но это все же дело будущего, а пока наша ближайшая задача состоит всего-навсего в том, чтобы немного более строго осмыслить для начала главные свойства интересующей нас сейчас энергии непосредственно в сегодняшнем ее понимании. Наиболее известным из этих свойств является, конечно же, то, что энергия по современным представлениям, говоря опять словами ФЭС, «не возникает из ничего и не исчезает» [2, С.903]. В более строгой форме эта знаменитая максима находит свое отражение во всем известном законе сохранения энергии, который в том же ФЭС характеризуется так: «Один из наиболее фундаментальных законов природы, согласно которому важнейшая физическая величина - энергия сохраняется в изолированной системе. В изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую,- поясняется далее,- но ее количество остается постоянным. Если система не изолирована, то ее энергия может изменяться либо при одновременном изменении энергии окружающих тел на такую же величину, либо за счет изменения энергии взаимодействия тела с окружающими телами (запомним это последнее утверждение особо, т.к. к нему еще придется специально обращаться в следующем разделе - И.Л.). При переходе системы из одного состояния в другое,- формулируется затем в ФЭС еще несколько важных для нас выводов,- изменение энергии не зависит от того, каким способом (в результате каких взаимодействий) происходит переход, т. е. энергия - однозначная функция состояния системы. Закон сохранения энергии является строгим законом природы, справедливым для всех известных взаимодействий, он связан с однородностью времени, т. е. с тем фактом, что все моменты времени эквивалентны и физические законы не меняются со временем. Закон сохранения энергии для механических процессов установлен Г. В. Лейбницем (1686), для немеханических явлений - Ю. Р. Майером (1845), Дж. П. Джоулем (1843 -1850) и Г. Л. Гельмгольцем (1847). В термодинамике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики» [2, С.902,903]. В связи с последней информацией подчеркнем к тому же теперь особо, что установленный Готфридом Вильгельмом Лейбницем более трехсот лет назад "закон сохранения энергии для механических процессов" строго никогда не выполняется, ибо полностью справедлив на самом деле только для идеализированных систем без трения (они называются консервативными), реально отсутствующих в природе. Что же касается установленного полтора столетия назад «закона сохранения энергии для немеханических явлений», то здесь необходимо различать две совершенно отличные друг от друга позиции в его понимании, связанные с именами упомянутых выше Германа Людвига Фердинанда Гельмгольца, с одной стороны, и Юлиуса Роберта Майера и Джемса Прескотта Джоуля - с другой. Позиция Гельмгольца, ясно выраженная в той самой его работе 1847 г. «О сохранении силы», из которой и позаимствован эпиграф ко всему настоящему разделу, просто расширяет область действия лейбницева закона сохранения энергии для механических процессов на все прочие явления. Т. е. сохранение энергии, по мнению Гельмгольца, имеет место для всех явлений вообще, но опять-таки только для принципиально идеализированного случая консервативных систем, в которых не действуют те особого рода силы, которые сегодня называют диссипативными. Позиции же Майера и Джоуля, напротив, связаны уже с полной абсолютизацией закона сохранения энергии, т. е. с распространением его на все виды процессов без каких-либо специальных оговорок. Как раз этот их подход и оказался положен в основу собственно термодинамики, приняв, в конце концов, форму, как подчеркнуто выше, так называемого первого ее начала. В рамках этого начала и была в итоге постулирована собственно та вторая часть служащей сегодня кратким выражением закона сохранения энергии общей базовой максимы, которая указывает на то, что энергия никогда «не исчезает». Что же касается первой половины этого высказывания, утверждающей всего-навсего то, что «энергия не возникает из ничего» (а эти два утверждения, как легко заметить, логически не вытекают друг из друга, вследствие чего сама указанная максима, вопреки распространенному поверхностному мнению, содержит в себе в действительности не одно, а два совершенно самостоятельных положения), то она была признана наукой гораздо раньше середины девятнадцатого века. Ведь еще в 1775 г. Парижская Академия Наук уже окончательно отказалась рассматривать проекты так называемого вечного двигателя (а исходно идея о его принципиальной невозможности присутствовала даже у Леонардо да Винчи в начале XVI века), сама возможность существования которого, как подчеркнуто в том же ФЭС, как раз и «означала бы получение энергии из ничего» [2, С.72]. Впоследствии такой «воображаемый двигатель, который, будучи раз пущен в ход, совершал бы работу неограниченно долгое время, не заимствуя энергию извне» [2, С.72], был назван в той же термодинамике вечным двигателем 1-го рода, ибо дополнительно в ней было введено, как известно, еще и особое понятие вечного двигателя 2-го рода, о котором мы поговорим позже. Но исходно само понятие вечного двигателя, повторим специально еще раз, ассоциировалось именно с возникновением упорядоченного движения (а значит - и связанной с этим движением энергии) без соответствующей убыли энергии какого-либо иного рода, и потому утверждение о невозможности подобных фантастических устройств фактически означало принятие за основу именно упомянутого фундаментального принципа «энергия не возникает из ничего»! Ничего более, обращаем внимание снова и снова, из принципа невозможности существования вечного двигателя не следовало, и потому встречающиеся очень часто утверждения о прямой связи якобы этого принципа с законом сохранения энергии в целом (включая и ту его часть, которая постулирует уже само «сохранение» последней) с логической точки зрения являются совершенно ошибочными. (Ведь в случае превышения затрачиваемой при функционировании реального двигателя энергии над непосредственно создаваемой им новой никакого противоречия с упомянутым фундаментальным принципом не будет!) В полной мере все сейчас сказанное относится, если разобраться, и к упомянутому выше постулату Лейбница, т. к. согласно нему энергия замкнутой механической системы, как уже было отмечено, должна либо убывать (и это наиболее общий случай), либо оставаться в особой идеальной ситуации практически неизменной (если скорость ее убывания настолько мала, что им можно попросту пренебречь). Постулат Лейбница, таким образом, просто запрещает самопроизвольное возрастание энергии в замкнутой механической системе, что опять же эквивалентно одному только тезису «энергия не возникает из ничего». Что же касается именно той части механической энергии, которая в общем случае неконсервативных систем обязательно исчезает, то в отношении нее механика вообще ничего не говорит, считая этот вопрос попросту выходящим за ее конкретные рамки. Физика же в целом утверждает, что исчезающая механическая энергия, в конце концов, полностью преобразуется в упоминавшуюся уже выше внутреннюю энергию системы (эта точка зрения напрямую инициирована опять же термодинамикой и потому будет рассмотрена отдельно), но тем не менее и она признает, что сама убыль механической энергии является при протекании самопроизвольных механических процессов в общем случае неизбежной. Иначе говоря, любые самопроизвольные процессы в реальной механической системе всегда принципиально связаны с убылью самой механической энергии (т. е. полная энергия в их ходе все равно изменяется: если и не количественно, то уж, по крайней мере, качественно!), что и является пока для нас наиболее важным выводом из всех предыдущих рассуждений. Важным потому, что именно данный вывод остается абсолютно справедливым не только для механической, но и для всех остальных видов энергии вообще - электромагнитной, химической и т. д. Любые реальные процессы, обусловленные, например, электромагнитным взаимодействием, всегда сопряжены с убылью именно электромагнитной энергии, и это правило является наиболее универсальным принципом, как теперь ясно, для всех взаимодействий в целом. Причем сам по себе тезис о количественном «неисчезновении» энергии и здесь не играет абсолютно никакой роли: достаточно того, что интересующая нас энергия сокращается, а что именно происходит с сокращаемой ее частью - другой вопрос, выходящий за рамки той теории, которая изучает рассматриваемое взаимодействие. Этот более общий подход, как уже отмечалось, связан во многом с именем Гельмгольца, позиция которого (по крайней мере, в упомянутой его исходной статье) опять-таки сводилась к одному только тезису «энергия не возникает из ничего». Только к нему же сводится, наконец, и упомянутая при цитировании ФЭС связь закона сохранения энергии с «однородностью времени, т. е. с тем фактом, что все моменты времени эквивалентны и физические законы не меняются со временем». Ведь речь при этом идет о сохранении энергии именно и только в идеализированных консервативных системах, где само сохранение выступает всего лишь гипотетическим предельным случаем все того же исходного (и единственно признаваемого) запрета на самопроизвольное возрастание энергии. Принцип обязательной убыли соответствующего вида энергии в ходе реальных самопроизвольных процессов легко объясняет также, в частности, почему системы, достигшие по тем или иным причинам локального минимума рассматриваемой конкретной энергии, находятся в состоянии устойчивого равновесия. Просто данная энергия не может сокращаться далее из-за наличия как раз и образующих ее локальный минимум (часто называемый «потенциальной ямой») определенных потенциальных барьеров, в связи с чем обусловленные рассматриваемым взаимодействием процессы вынужденно прекращаются. (Достаточно наглядной иллюстрацией подобной ситуации может служить, скажем, положение обыкновенного камня на дне горизонтального оврага, пересекающего склон холма или горы - гравитационная энергия этого камня, неизменно уменьшавшаяся ранее по мере его самопроизвольного скатывания с вершины холма, достигает на дне указанного оврага своего локального минимума, благодаря чему - если кинетическая энергия движения камня невелика и в конечном счете полностью рассеивается при трении - он и остается затем уже принципиально неподвижным.) Энергия, таким образом, однозначно определяет как саму возможность реализации всех самопроизвольных процессов в природе, так и - главное - истинное направление их протекания: самопроизвольные процессы в природе, как теперь ясно, всегда текут так, что соответствующий им вид энергии обязательно сокращается! В этом и состоит главный вывод всего проведенного выше качественного рассуждения относительно сегодняшнего понимания энергии в большинстве разделов современной физики (исключая термодинамику - но о ней речь пойдет отдельно). Теперь нам необходимо рассмотреть в подобном же качественном плане и сам центральный вопрос настоящей статьи, ради которого и затеян весь данный разговор: как выглядят во всем этом свете собственно тепловые явления? 2. О согласованности современного понимания энергии и основных термодинамических выводов: качественный аспект Не следует измышлять на авось каких-либо бредней, не следует также уклоняться от сходственности в природе, ибо природа всегда и проста и всегда сама с собой согласна. И. Ньютон Часто говорят, что аргументы Карно были ложными. На самом же деле логика Карно безукоризненна. Неверно только упрощенное толкование этих аргументов Клаузиусом, а именно с ним все обычно знакомятся. Р. Фейнман Наиболее простым из всех тепловых процессов является, как известно, так называемый теплообмен - в нем свойственные тепловым явлениям закономерности предстают практически в чистом, не затуманенном влиянием иного рода процессов виде. Итоговая же суть теплообмена состоит в простейшем случае в том, что при приведении в тепловой контакт двух или более тел, имеющих принципиально различные температуры, возникает самопроизвольно протекающий процесс, направленный на устранение всех первоначальных температурных различий. Если этот процесс продолжается к тому же достаточно долго и ему в целом ничто не препятствует, то, в конце концов, температуры всех приведенных в тепловой контакт тел обязательно выравниваются, после чего сам теплообмен благополучно прекращается. Внешне все это напоминает, как легко заметить, очень многие другие хорошо известные явления. Например - воспринимаемое зачастую как само собой разумеющееся самопроизвольное установление единого уровня жидкости в не имеющем перегородок сосуде (немного более сложный случай - самопроизвольное же выравнивание уровней однородной жидкости во всех сообщающихся между собой сосудах). Или, скажем, самопроизвольное выравнивание электрических потенциалов у контактирующих друг с другом заряженных проводников. Исходя из данной, пусть и внешней, но зато абсолютно полной аналогии, вполне можно предположить далее, что между всеми указанными принципиально однотипными явлениями должна существовать и глубокая внутренняя связь. И искать ее прежде всего следует, как мы теперь понимаем, в тех самых энергетических выводах, которые по самой своей сути направлены на установление именно подобных универсальных взаимосвязей. И действительно - и установление единого уровня жидкости в сосуде, и выравнивание электрических потенциалов у контактирующих заряженных проводников происходит, согласно современным представлениям, по одной и той же базовой причине: именно такое направление обоих этих процессов соответствует уменьшению действительно изменяющейся при их протекании конкретной потенциальной энергии (гравитационной и электромагнитной соответственно). Причем устойчивость итогового равновесного состояния как раз и обусловлена при этом тем, что изменяющаяся конкретная энергия системы достигает при полном равенстве уровней жидкости в одном случае или электрических потенциалов в другом именно своего локального минимума, что и является, напомним, общим критерием устойчивости любого физического состояния в целом. Так что наше общее предположение о наличии у перечисленных выше процессов глубокой внутренней связи, как видим, пока полностью подтверждается. Но вот что касается собственно теплообмена, то здесь данная универсальная логика на первый взгляд как будто бы не срабатывает - по мнению официальной термодинамики взаимосвязь между теплообменом и всеми остальными подобными процессами уже вроде бы начисто отсутствует. Более того - термодинамика вообще утверждает в отношении данного особого явления нечто совершенно немыслимое в свете приведенных выше общих рассуждений: никакая энергия в ходе теплообмена, являющегося, напомним, принципиально самопроизвольным физическим процессом, якобы вообще не изменяется! Причем не изменяется не только количественно, но и качественно, чего не наблюдается ни в одном другом самопроизвольном физическом процессе! (Есть еще один вид самопроизвольных физических процессов, также изучаемых непосредственно термодинамикой, где изменение энергии тоже пока считается нулевым, но о них мы подробно поговорим в следующем специальном разделе.) Иначе говоря, имеющие различную температуру тела по мнению современной термодинамики - это попросту рerpetuum mobile, ибо самопроизвольное изменение их состояния в процессе теплообмена происходит якобы вообще без уменьшения того или иного рода энергии! Уточним к тому же еще специально, что речь идет не об идеализированном случае, подобном консервативным процессам в механике (здесь, напомним, неизбежное уменьшение механической энергии при любых самопроизвольных процессах просто временно не учитывается из-за его пренебрежимо малой величины), а об общем взгляде на теплообмен в целом. Современная термодинамика в принципе считает энергию совершенно не изменяющейся в ходе теплообмена, и это создает, как теперь легко понять, явное противоречие между ней и всей остальной физической наукой! Откуда возникла и чем обусловлена указанная удивительная точка зрения - отдельный большой вопрос, выходящий в целом за рамки данной статьи. Поэтому сейчас мы подчеркнем лишь самое главное - противоречащее самому пониманию энергии мнение о ее неизменности при теплообмене связано, в конечном счете, с тем, что та конкретная форма энергии, убыль которой и определяет сам данный самопроизвольный процесс, оказалась при окончательном формировании термодинамики попросту упущенной. (Хотя ранее эта энергия, подчеркнем во имя справедливости особо, и фигурировала в трудах ряда наиболее здравомыслящих исследователей, к каковым в первую очередь следует отнести великого Никола Леонара Сади Карно. Встречающиеся же часто утверждения о том, что Карно якобы опирался в своих выводах на ошибочную концепцию теплорода-жидкости, совершенно беспочвенны. Это хорошо видно из следующего его специального примечания к своему главному научному труду, однозначно характеризующего истинные взгляды данного автора на внутреннюю природу тепловых явлений: «Могут... спросить: если доказана невозможность perpetuum mobile для чисто механических действий, то имеет ли это место при употреблении тепла или электричества; но разве возможно для явления тепла или электричества придумать иную причину, кроме какого-либо движения тел, и разве эти движения не должны подчиняться законам механики?» [6, С.332]!) Вернемся, однако, к вопросу об упущенной из виду при окончательном формировании термодинамики определенной форме энергии. Это утверждение будет гораздо легче понять, если вспомнить ту специально подчеркнутую при цитировании ФЭС мысль, что полная энергия любой замкнутой системы складывается в общем случае из внутренней энергии образующих ее подсистем и энергии взаимодействия этих подсистем друг с другом. Так вот - термодинамика как раз и «потеряла» по ряду причин саму эту последнюю, напрямую связанную именно с существующей разностью температур (а именно под влиянием градиента температур и идет теплообмен, полностью прекращаясь при нулевом его значении). Связанная с разностью температур энергия легко может быть преобразована, как все знают, в любые другие известные формы, простейшим примером чего является преобразование ее в электрическую энергию при помощи термопары. Причем выработка таким путем электрической энергии возможна именно при наличии обязательной разности температур (без таковой названный процесс, естественно, мгновенно прекращается), что прямо указывает на прямую связь с последней и собственно обсуждаемой сейчас тепловой энергии. Но термодинамика, как было сказано, предпочла эту связь попросту проигнорировать, откуда и сам ее противоестественный вывод о протекании теплообмена без всяких энергетических затрат! В целом энергия взаимодействия нагретых до разных температур тел является в определенной мере условной (то же можно сказать и об особых «энергиях взаимодействия» двух разно уровневых столбов жидкости или имеющих различный потенциал электрических проводников) - она сродни энергии деформированной пружины, которая является лишь удобной формой представления некоторого более фундаментального вида энергии. Но эта форма представления, повторим, весьма удобна: исходная фундаментальная энергия в точке своего локального минимума, соответствующего равновесному состоянию системы, условно принимается нулевой, благодаря чему при небольших отклонениях системы от данного равновесного состояния приобретаемая ею конкретная энергия оказывается попросту пропорциональна квадрату этого отклонения. Энергия взаимодействия участвующих в теплообмене тел, таким образом (а они сами по себе никак не могут считаться замкнутыми системами, ибо по определению взаимодействуют друг с другом), оказывается пропорциональной квадрату разности их температур, что очень напоминает, например, энергию взаимодействия двух образующих электрический конденсатор заряженных проводников. Но в термодинамике, повторим, эта энергия взаимодействия так и осталась попросту не замеченной, откуда и все прочие ее многочисленные нелогичности. А количество таковых с провозглашением энергии при теплообмене неизменной стало нарастать как снежный ком! Ведь перед термодинамикой тут же возникли, разумеется, следующие очевидные проблемы: с чем связывать теперь как само направление теплообмена, так и устойчивость возникающего в его итоге конечного равновесного состояния, характеризуемого именно равенством температур? Прежние энергетические критерии, легко отвечающие на эти фундаментальные вопросы во всех прочих случаях, для теплообмена оказались уже вроде бы не действующими, и потому создателям термодинамики вынужденно пришлось искать какой-либо иной выход из образовавшегося теоретического тупика. И он был ими найден, но найден совершенно необычным, проще говоря - примитивным способом: вместо поиска и исправления ошибки в рассуждениях о собственно энергии, что позволило бы устранить противопоставление в данном отношении науки о тепловых явлениях всем остальным разделам физики (и вернуть ее тем самым на магистральный путь развития всего естествознания), упомянутые создатели термодинамики предпочли пойти окольным, попросту «проселочным» путем. Не мудрствуя лукаво, они просто постулировали еще один, уже якобы принципиально самостоятельный фундаментальный физический закон, устанавливающий направление протекания собственно одного только выпавшего из общей закономерности теплообмена! Причем в своей наиболее ясной форме этот вновь обретенный «закон природы» просто-напросто утверждал, что процесс теплообмена сам по себе всегда идет как раз в направлении выравнивания температур, а не наоборот! Т. е. данному абсолютно тривиальному в свете общего энергетического подхода факту был ничтоже сумняшеся присвоен высокий статус отдельного фундаментального закона, не имеющего якобы аналогов среди всех остальных природных явлений! Как тут не вспомнить, между прочим, того же Лейбница, жестоко высмеивавшего еще за сто пятьдесят лет до этого ту, по его словам, «варварскую философию, которая выдумывала для [объяснения явлений] специально скрытые качества или способности, ...вроде того как если бы карманные часы указывали время, благодаря некоторой часопоказывающей способности..., или как если бы мельницы мололи зерна, благодаря некоторой размалывающей способности» [3, С.194,195]. Само «варварство» состоит во всех этих случаях, как легко понять, в том, что вместо поиска объединяющих внутренних причин явлениям просто приписывают строго индивидуальные специфические «способности», из-за чего напрочь теряется сама возможность каких-либо дальнейших обобщений. Но в том-то и дело, что все сейчас сказанное, если приглядеться, в полной мере применимо и к рассмотренному термодинамическому выводу, объясняющему направление теплообмена просто-напросто его «температуровыравнивающей» способностью! В свете уже рассмотренных нами энергетических закономерностей данное совершенно примитивное утверждение выглядит, конечно же, явным отступлением с завоеванных ранее научных позиций, ибо резко отбрасывает назад всю физическую науку вообще (итоговый смысл каковой, как не раз уже отмечалось, как раз и состоит в поиске взаимосвязей между явлениями). Не надо обладать большой научной интуицией, чтобы легко понять в данной связи следующее: провозглашение указанного «закона» полностью эквивалентно провозглашению, скажем, еще одним «фундаментальным законом природы» того же принципа выравнивания в конце концов уровня жидкости в сосуде без перегородок. Данный принцип действительно выступал когда-то, видимо, самостоятельным физическим законом, но после открытия Ньютоном гораздо более общего закона всемирного тяготения он стал, конечно же, всего лишь очевидным следствием из последнего, лишенным статуса отдельной аксиомы. С введением же в оборот еще и собственно энергии, вообще подводящей под все виды взаимодействий принципиально единую физическую основу, указанный принцип и вовсе стал совершенно тривиальным. И любые попытки выделить его сегодня в отдельный закон как раз и означают введение еще одного скрытого качества - на сей раз особой «уровневыравнивающей» способности у налитой в сосуд жидкости. Но в полной мере все это можно отнести, повторим, и к собственно обсуждаемому термодинамическому «закону», который в сформулированном выше простейшем своем виде получил в конечном счете пышное наименование особого «второго начала термодинамики в форме Клаузиуса». Причем непосредственно «вторым началом» он был назван при этом потому, что первым исходным началом указанной науки упомянутый Рудольф Клаузиус как раз и предложил считать собственно абсолютизированный закон сохранения энергии, выдвинутый, как отмечалось в предыдущем разделе, Майером и Джоулем. Иначе говоря, именно провозглашение двумя последними авторами указанного закона и стало, как мы в конце концов покажем, истинной причиной отрицания термодинамикой изменения энергии при теплообмене, в связи с чем Клаузиусу пришлось специально выдвигать дополнительно особое второе ее начало. Оно попросту заменило собой, как теперь ясно, потерянный принцип уменьшения энергии при любом самопроизвольном природном процессе, ибо убывающую при теплообмене конкретную энергию названные сейчас создатели термодинамики, как уже было сказано, вообще умудрились не заметить! Ощущая, однако, острую необходимость в количественном представлении связанных с теплообменом закономерностей, они все же вынуждены были искать вскоре ту или иную замену «потерянной» ненароком энергии. И, в конце концов, тем же Клаузиусом была-таки введена в оборот особая количественная характеристика, принципиально изменяющаяся уже на сей раз с изменением собственно разности температур (а значит - и описывающая количественно обусловленный этой разностью сам процесс теплообмена). Названа была упомянутая новая характеристика энтропией, а главным ее свойством оказалось следующее: в замкнутой системе эта характеристика могла либо возрастать при любом протекающем в ней реальном процессе, либо оставаться в особом идеальном случае (здесь подобный идеальный процесс был назван «обратимым») просто неизменной. Но любой реальный самопроизвольный процесс, повторим еще раз, всегда был связан именно с ее возрастанием, в связи с чем критерием устойчивого состояния системы стало достижение названной энтропией определенного своего локального максимума. Вот такая получилась интересная характеристика, в которой все внимательно читавшие предыдущий раздел без труда узнают главные черты собственно энергии! Единственное отличие (если не считать чисто терминологических, например - замены слова «энергия» словом «энтропия», или, скажем, использования для наименования идеализированного консервативного процесса, как уже отмечалось, термина «обратимый») состоит в том, что вместо уменьшения, как энергия, при любом реальном процессе и достижения локального минимума в точке устойчивого равновесия энтропия, напротив, возрастает при тех же условиях, а в точке равновесия достигает, соответственно, своего локального максимума. Но подобный нюанс - всего лишь вопрос способа определения соответствующей величины, так что энтропия, как теперь можно окончательно предположить, это и есть та самая энергия взаимодействия нагретых до разных температур тел, которая по определенным причинам оказалась ранее «потеряна» не очень внимательными создателями термодинамики. Точнее, энтропия просто заменяет собой энергию данного особого взаимодействия в сложившихся чрезвычайных обстоятельствах, обусловленных отмеченной их логической ошибкой, и устранение этой ключевой ошибки, как теперь ясно, должно сделать энтропию попросту излишней характеристикой. Таков сам главный вывод данного качественного рассуждения, который мы постараемся подкрепить теперь в следующем специальном разделе еще более весомыми аргументами. 3. Об истинной сущности энергии: качественный аспект Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего числа слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это - АТОМНАЯ ГИПОТЕЗА: ВСЕ ТЕЛА СОСТОЯТ ИЗ АТОМОВ - МАЛЕНЬКИХ ТЕЛЕЦ, КОТОРЫЕ НАХОДЯТСЯ В БЕСПРЕРЫВНОМ ДВИЖЕНИИ… В одной этой фразе ...содержится НЕВЕРОЯТНОЕ количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения. Р. Фейнман Во всех случаях, где применим закон больших чисел, т. е. в большей части явлений природы..., как явлений, обнимающих огромное число материальных точек, всякое изменение, которое может произойти само собой (т. е. без компенсации), есть переход от менее вероятного состояния к более вероятному состоянию. Л. Больцман В предыдущем разделе мы пообещали подробно поговорить далее об еще одном изучаемом той же термодинамикой самопроизвольном физическом процессе, также протекающем якобы по современным представлениям без какого-либо изменения энергии. Таким процессом является всем известная диффузия, определяемая в ФЭС как «взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества. Диффузия,- поясняется в ФЭС далее,- происходит в направлении уменьшения концентрации вещества и ведет к его равномерному распределению по занимаемому объему (к выравниванию химического потенциала)» [2, С.174]. Итак, как видим, диффузия тоже протекает всегда в строго определенном направлении и приводит, в конечном счете, опять же к полному выравниванию вполне конкретной физической величины. В данном случае - средней концентрации вещества по всему занимаемому им объему, называемой также иногда химическим потенциалом. В наиболее чистом виде этот процесс представлен в знаменитом опыте Гей-Люссака, в ходе которого близкий по своим свойствам к идеальному газ просто расширяется в пустоту (поскольку абсолютной пустоты все равно не бывает, то можно считать, что имеет место «взаимное проникновение» нашего газа и очень сильно разреженного иного вещества друг в друга, т. е. собственно диффузия). В итоге газ равномерно распределяется по всему увеличенному новому объему, что является в данном случае единственным (по крайней мере – по современным представлениям) получаемым новым результатом. Временно, правда, происходит частичное изменение температур в разных точках этого объема, но в конечном счете во всех них устанавливается принципиально одинаковая средняя температура, в точности равная той исходной, которой газ обладал до начала расширения. Отсюда ясно, что мы наблюдаем диффузию, как уже было сказано, в наиболее чистом ее виде, практически не затеняемом никакими прочими посторонними процессами. Но какая же конкретная энергия изменяется в таком случае при протекании данного принципиально самопроизвольного процесса? По мнению официальной термодинамики - опять-таки никакая! Мы вновь сталкиваемся, таким образом, с аналогичной рассмотренной в предыдущем разделе ситуацией, когда уменьшающаяся на самом деле энергия взаимодействия двух подсистем единой замкнутой системы остается попросту незамеченной. На сей раз эта энергия, как легко понять, напрямую связана уже именно с исходной разностью концентраций газа в двух частях занимаемого им объема (разностью химических потенциалов), а состояние устойчивого равновесия (в котором газ равномерно распределен по всему объему) характеризуется, соответственно, минимальным (в данном случае опять-таки условно нулевым) значением данной конкретной энергии. Мы вновь получили по сути дела аналог деформированной пружины, разве что теперь сама деформация сводится к отклонению средней концентрации газа в отдельных частях объема от равновесного ее значения. Подчеркнем также особо, что в рассмотренном выше опыте расширения газа в пустоту уменьшение данной «диффузионной» или «концентрационной» энергии определяет протекание указанного диффузионного процесса практически «единолично», но чаще все же приходится иметь дело с более сложными ситуациями, в которых одновременно проявляют себя сразу несколько видов энергии. Особенно важны для собственно термодинамики ситуации, где совмещаются действия равным образом «потерянных» ею диффузионной и тепловой энергий. В этом случае обычно приходится иметь дело с комплексным понятием механического давления, оказываемого, например, тем же газом на перемещаемый им поршень в цилиндре теплового двигателя. Но с учетом того, что само давление идеального газа попросту равно, как известно, произведению его концентрации на температуру (для согласования принятых единиц измерения это произведение умножают еще дополнительно на так называемую «постоянную Больцмана»), легко понять, что на самом деле в понятии давления просто аккумулированы проявления сразу двух различных взаимодействий - диффузионного и теплового. Впрочем, правильнее будет говорить, видимо, о едином диффузионно-тепловом (или концентрационно-температурном) взаимодействии (подобно тому, как мы говорим о едином электромагнитном взаимодействии, объединяющем в себе электростатическое и магнитное), ибо в абсолютном большинстве реальных случаев диффузионная и тепловая энергии проявляются принципиально совместно, попросту превращаясь поочередно друг в друга. (В этом смысле звуковая волна может быть названа, соответственно, диффузионно-тепловой, как называем мы электромагнитной волной луч света). Но этот важный вопрос выходит в целом за рамки данного предварительного рассмотрения и потому здесь мы на нем более останавливаться не будем. Для нас сейчас гораздо важнее просто еще раз подчеркнуть в завершение всего данного разговора о диффузионных процессах именно сам фундаментальный факт принципиального существования непосредственно определяющей их самопроизвольное протекание особой диффузионной энергии. Но собственно термодинамика, как уже было сказано, данную энергию опять-таки умудрилась не заметить, причем на этот раз основной причиной подобной ее теоретической "слепоты" стало уже непосредственно само извращенное представление сущности процессов тепловых. Ведь тепловая и диффузионная энергии, напомним, теснейшим образом взаимосвязаны друг с другом, и потому подмена первой из них энтропией почти автоматически ведет к аналогичной же подмене и применительно ко второй. В результате процессы диффузии тоже стали связывать в теории с ростом именно энтропии, что привело, в конечном счете, Клаузиуса к выводу о всеобщем характере как самой этой величины, так и постулированного им второго начала термодинамики в целом. Практически такой же точки зрения придерживался, к сожалению, и гораздо более глубоко мыслящий в целом Джозайа Виллард Гиббс, очень много сделавший для всестороннего рассмотрения диффузионных явлений. Именно им было введено, в частности, упоминавшееся уже понятие «химического потенциала», практически вплотную приближающее науку к осознанию диффузионной энергии. Но довлеющее влияние исходных термодинамических ошибок так и не позволило Гиббсу сделать действительно решающий шаг в данном направлении, остановив его по сути дела на полпути к истине. Гиббс и во многих прочих случаях использовал различного рода «термодинамические потенциалы» (сам данный термин, правда, был введен в науку не им, а его последователями), что значительно раздвинуло возможности созданной им всеобъемлющей теории. Но все же в целом в ее основе так и остался, к сожалению, тот принципиально порочный подход к описанию термодинамических явлений, который берет свое общее начало с рассмотренных подробно в предыдущем разделе «варварских» построений Рудольфа Клаузиуса. А главное - Гиббс отнюдь не отказался от его «второго начала» и собственно энтропии, сделав основную ставку именно на последнюю. «Следует отметить,- подчеркивает, например, в данной связи в своей книге «История и методология термодинамики и статистической физики» Я. М. Гельфер,- что функции энтропии Гиббс придавал первостепенное значение, «само понятие о которой связано со вторым началом термодинамики» [5, С.23]. В итоге энтропия вообще была провозглашена в конечном счете наукой такой же универсальной физической характеристикой, как и собственно энергия, причем именно с ее изменениями и предлагалось теперь связывать в общем случае как направление протекания всех самопроизвольных процессов в природе, так и критерии устойчивости возникающих при этом равновесных состояний. Отсюда и распространенные расплывчатые утверждения многих весьма уважаемых авторов о том, например, что общим критерием устойчивого равновесия в природе является требование локального максимума именно энтропии, хотя при изложении принципиально конкретных физических дисциплин - тех же механики, электродинамики и пр. - они же сами связывают устойчивость равновесия уже непосредственно с минимумом энергии. А очевидное противоречие друг другу этих двух фундаментальных утверждений как бы не замечают, объясняя для себя его, видимо, спецификой различных физических теорий. Не замечаются при этом также и другие многочисленные нелогичности, о которых мы еще поговорим подробно ниже. Но перед этим нам необходимо осветить теперь, напротив, связанные с той же термодинамикой несомненные положительные достижения, имеющие очень большое значение для всей науки в целом. И в первую очередь то действительно величайшее научное открытие, которым, не смотря ни на что, увенчалось ее развитие к концу ХIХ века. Речь идет, впрочем, не столько о самой термодинамике, сколько о возникшей уже к тому времени статистической физике, стремившейся объяснить все термодинамические выводы на основе молекулярно-кинетической теории. Именно в ее рамках Людвигом Больцманом и была сформулирована та по истине гениальная физическая идея, квинтэссенция которой прекрасно выражена в приведенном в качестве эпиграфа к настоящему разделу его коротком высказывании. Изучая то же явление диффузии, Больцман пришел, в конце концов, к следующему фундаментальному выводу: диффузия может быть объяснена просто-напросто тем, что обычное направление ее протекания гораздо более вероятно, чем обратное! Другими словами, возможны оба направления диффузии - как в сторону выравнивания концентраций, так и в сторону нарастания их разности в различных точках занимаемого веществом объема, но вероятность (а следовательно - и средняя интенсивность за конечный промежуток времени) последнего процесса при колоссальном количестве имеющихся молекул настолько мала по сравнению с вероятностью (а значит, и средней интенсивностью) движения к собственно равенству концентраций, что им можно попросту пренебречь. Отсюда и закономерное направление диффузии - на практике она всегда идет именно так, что концентрации выравниваются! Очень наглядно и доходчиво все эти моменты описаны, между прочим, в знаменитой книге Эрвина Шредингера «Что такое жизнь? С точки зрения физика», соответствующее место из которой мы попросту процитируем далее практически полностью: «Представьте себе сосуд, наполненный жидкостью,- пишет Шредингер,- скажем водой, с небольшим количеством какого-нибудь красящего вещества, растворенного в ней, например, перманганата калия, но не в равномерной концентрации, а скорее так, ...[что] концентрация уменьшается слева направо. Если вы оставите эту систему в покое, то начнется весьма медленный процесс диффузии. Перманганат будет распространяться в направлении слева направо, то есть от места более высокой концентрации к месту более низкой концентрации, пока, наконец, не распределится равномерно по всему объему воды. В этом довольно простом и, очевидно, не особенно интересном процессе ЗАМЕЧАТЕЛЬНО ТО, ЧТО ОН НИ В КАКОЙ СТЕПЕНИ НЕ СВЯЗАН С КАКОЙ-ЛИБО ТЕНДЕНЦИЕЙ ИЛИ СИЛОЙ, которая, как это можно было бы подумать, влечет молекулы перманганата из области, где очень тесно, в область, где посвободней, подобно тому, как, например, население страны переселяется в ту часть, где больше простора. С нашими молекулами перманганата ничего подобного не происходит. Каждая из них ведет себя совершенно независимо от других молекул, с которыми она встречается весьма редко. Каждая из них как в области большой тесноты, так и в более свободной части испытывает одну и ту же судьбу. Ее непрерывно толкают молекулы воды, и, таким образом, она постепенно продвигается в СОВЕРШЕННО НЕПРЕДСКАЗУЕМОМ НАПРАВЛЕНИИ: по прямой в сторону или более высокой или более низкой концентрации. Характер движений, которые она выполняет, часто сравнивают с движением человека, которому завязали глаза на большой площади и велели «пройтись», но который не может придерживаться определенного направления, и таким образом, непрерывно изменяет линию своего движения. Тот факт, что БЕСПОРЯДОЧНОЕ движение молекул перманганата все же ДОЛЖНО ВЫЗЫВАТЬ РЕГУЛЯРНЫЙ ТОК в сторону меньшей концентрации и в конце концов привести к выравниванию концентраций, на первый взгляд кажется непонятным, но только на первый взгляд. При тщательном рассмотрении ...тонких слоев почти постоянной концентрации можно представить себе, как молекулы перманганата, которые в данный момент содержатся в определенном слое, беспорядочно двигаясь, будут С РАВНОЙ ВЕРОЯТНОСТЬЮ перемещаться и направо, и налево. Но именно вследствие этого ПОВЕРХНОСТЬ РАЗДЕЛА двух соседних слоев БУДЕТ ПЕРЕСЕКАТЬСЯ БОЛЬШИМ КОЛИЧЕСТВОМ молекул, приходящих слева, а не в обратном направлении. Это произойдет ПРОСТО потому, что слева БОЛЬШЕ беспорядочно двигающихся молекул, чем справа, и ДО ТЕХ ПОР, ПОКА ЭТО ТАК, будет происходить РЕГУЛЯРНОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ слева направо, пока, наконец, не наступит РАВНОВЕСНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ. Если эти соображения перевести на математический язык, то получим ...закон диффузии. ...Закон теплопередачи имеет, между прочим, точно такую же форму (и практически точно такое же объяснение – И. .Л.), если «концентрацию» заменить «температурой» [7, С.22,23]. В этом исключительно поучительном высказывании Шредингера, с которого, на наш взгляд, необходимо вообще начинать любой систематически излагаемый курс физики, верно практически все, кроме одного: его утверждение о том, что рассматриваемый процесс диффузии «ни в какой степени не связан с какой-либо силой», справедливо лишь в относительно узком смысле. А именно - в том, что в основе этого процесса не лежит какое-то иное более фундаментальное взаимодействие, частным случаем реализации которого можно было бы считать саму диффузию. Но зато приводимое Шредингером рассуждение само является, как легко видеть, по сути дела объяснением самостоятельных фундаментальных сил, которые как раз и можно назвать коротко диффузионными или концентрационными. Именно с ними и связана, как теперь ясно, сама упомянутая выше диффузионная энергия, вероятностную природу которой, таким образом, и открыл на самом деле Людвиг Больцман. При этом он особо показал также, что интенсивность самого процесса диффузии можно прямо связать при желании с вероятностями состояний самой системы: интенсивность процесса велика тогда, когда вероятность возникающего в его итоге конечного состояния системы намного больше вероятности ее начального состояния, и, напротив, очень мала в обратном случае. Но вот интерпретировал Больцман это свое величайшее открытие, к сожалению, неправильно. Дело в том, что при такой трактовке происходящего можно просто сказать, в конечном счете, что система всегда стремится перейти из менее вероятного состояния в более вероятное, что и предопределяет направление всех самопроизвольных процессов в природе. Но так как протекание собственно диффузии, которую и анализировал прежде всего сам Больцман, сопровождается согласно термодинамике непосредственным возрастанием именно энтропии (как особой феноменологической характеристики состояния системы), то дальнейшим естественным шагом в описанных рассуждениях стал для него в сложившейся ситуации следующий вывод: с вероятностью состояния системы прямо связана как раз сама эта последняя! Конкретная формула, непосредственно выражающая взаимосвязь энтропии и вероятности, начертана, как известно, на надгробье Людвига Больцмана в Вене, что призвано подчеркнуть ее непреходящее значение для науки. Но истинное значение отражаемой названной формулой взаимосвязи, как мы теперь понимаем, намного превосходит даже и эту, и без того высочайшую ее оценку. Ведь протекание диффузии определяется на самом деле, повторим снова и снова, убылью соответствующей диффузионной энергии, вследствие чего именно последняя и связана, как теперь ясно, с собственно вероятностью состояния системы! Иначе говоря, в действительности Больцман раскрыл, сам того не подозревая, не что иное, как внутреннюю природу самой энергии! Причем не только диффузионной, но и всех остальных ее видов, в основе которых лежат именно вероятностные соотношения. По сути дела энергия отражает собой на самом деле так называемую упорядоченность состояния системы, прямо зависящую от наличия в ней определенных отклонений от полной однородности. Ведь именно с такими отклонениями, как известно, и связывают в физике само понятие порядка (в отличие от так называемого хаоса, означающего как раз полную однородность состояния), но равным образом и энергия, как мы теперь хорошо понимаем, всегда связана с наличием определенной неоднородности в значениях той или иной физической характеристики. А конкретно - с наличием разности (градиента) температур, разности (градиента) концентраций, разности (градиента) уровней жидкости в сосуде, разности (градиента) электрических потенциалов и т. д. и т. п. Т. е. энергия, повторим специально еще раз, это и есть сама неоднородность, а следовательно - и сама упорядоченность! 4. О законе сохранения энергии Истинная логика нашего мира - это подсчет вероятностей. Дж. К. Максвелл Несмотря на то, что статистическая механика исторически обязана своим происхождением исследованиям в области термодинамики, она, очевидно, в высокой мере заслуживает независимого развития как в силу элегантности и простоты ее принципов, так и потому, что она приводит к новым результатам и проливает свет на старые истины в областях, совершенно чуждых термодинамике. Д. Гиббс Из сделанного в предыдущем разделе совершенно естественного (после всего выше сказанного) базового вывода о внутренней сущности энергии (она представляет собой на самом деле, как можно теперь окончательно констатировать, просто особую форму выражения общей вероятности состояния системы), следуют и другие чрезвычайно важные выводы об ее истинных свойствах. И прежде всего такой: в общем случае энергия не может и не должна полностью сохраняться! Этот вывод прямо вытекает из самого принципа возрастания вероятности состояния замкнутой системы при любых самопроизвольных процессах в ней и не представляет для нас, вообще говоря, ничего необычного. Ведь подробно рассмотренный еще в первом разделе принцип обязательной убыли при любых самопроизвольно протекающих процессах соответствующего им вида энергии как раз и означает на самом деле не что иное, как ее итоговое сокращение. А дополнительное утверждение при этом о полном переходе якобы, в конце концов, собственно сокращаемой части этой энергии в кинетическую энергию хаотического движения молекул и т. д., как специально отмечалось там же, попросту ни к чему не обязывает. В самих механике, электродинамике и т. д. этой сокращаемой частью, напомним, вообще не интересуются, а в физике в целом ее считают полностью превращающейся в энергию хаотического движения только потому, что так требует в корне ошибочная в вопросах понимания энергии термодинамика. Сам вывод о несохранении энергии отнюдь не означает при этом, подчеркнем специально еще раз, нарушения исходного научного принципа невозможности существования вечного двигателя, т. к. тезис «энергия не возникает из ничего» остается в целом по-прежнему в силе. Теряет свое право считаться физическим законом один только тезис «энергия не исчезает в никуда», но он, повторим, и не играет во всех остальных (помимо термодинамики) разделах физики абсолютно никакой существенной роли. Ошибочность же самой термодинамики в отношении энергетических закономерностей мы уже сполна продемонстрировали ранее, так что убыль энергии при переходе системы в более вероятное ее состояние, как видим, абсолютно ничему в физике не противоречит. Теперь, впрочем, нужно подчеркнуть, что и сам тезис «энергия не возникает из ничего» тоже справедлив, оказывается, вовсе не на сто процентов. Точнее, его справедливость в абсолютном большинстве случаев в максимальной мере приближается к этим ста процентам, как приближается к единице вероятность перехода системы именно в более вероятное ее состояние. Но в том-то и дело, что речь идет именно о вероятностях и, значит, всегда остается вполне реальная (хотя и крайне редко реализуемая) возможность самопроизвольного перехода системы, напротив, в менее вероятное ее состояние. Реализующий такую возможность процесс, называемый флуктуацией, как раз и будет представлять собой «возникновение энергии из ничего»! Для обычных макроскопических систем, впрочем, подобной возможностью на практике можно просто пренебречь, что и позволяет считать закон «невозрастания» энергии в замкнутых системах практически абсолютным. В настоящей статье, касающейся лишь вопросов классической физики, мы тоже будем придерживаться именно указанной точки зрения, хотя отметим все же при этом, что для квантовой механики, например, подобный подход уже не справедлив. Но это все же отдельный большой самостоятельный вопрос, выходящий за рамки настоящей статьи, и потому здесь, повторим, мы будем впредь считать принцип «энергия не возникает из ничего» всегда соблюдающимся. Вернемся, однако, к исходному вопросу о несправедливости тезиса «энергия не исчезает в никуда», т. е. о несправедливости самого закона сохранения энергии в абсолютизированной его форме, и покажем, что и в самой термодинамике столь привычное многим сохранение энергии является в действительности лишь кажущимся. Ведь провозгласив сам отмечавшийся выше факт перехода теряемой из-за трения и ему подобных процессов механической, электромагнитной и т. д. энергии полностью во внутреннюю, термодинамика была вынуждена тут же специально оговориться, что сама эта внутренняя энергия обратно в ту же механическую и т. д. полностью уже превратиться не может! Отсюда, заметим, и упоминавшееся в первом разделе специальное понятие вечного двигателя 2-го рода, невозможность существования которого как раз и означает невозможность полного преобразования внутренней энергии в механическую и пр. Та же конкретная часть названной внутренней энергии, которая все-таки может быть превращена в механическую, как раз и пропорциональна по мнению современной термодинамики существующей разности температур! Т. е. эта разность определяет согласно сегодняшним представлениям не саму тепловую энергию, как считаем мы, а только доступную для использования ее конкретную долю, называемую обычно коэффициентом полезного действия тепловой машины. При равенстве же нулю этого коэффициента (из-за равенства нулю именно разности температур) равна нулю, естественно, и производимая данной машиной работа, т. е. таковая все равно определяется все той же неизменно выходящей на передний план (как бы ее не отодвигали искусственно) фундаментальной разностью температур! Получается, таким образом, что реально доступная для использования энергия, способная произвести определенную работу, в процессе теплообмена (по определению ведущем к ликвидации разности температур) все равно сокращается. Так почему же в таком случае сама по себе тепловая энергия считается сегодня не зависящей от этой разности, а собственно теплообмен - не изменяющим ее итоговую величину?. Сокращается реально доступная для использования энергия, как уже было отмечено, и в процессе трения, а значит громогласно провозглашенное (и тем самым широко распропагандированное) сохранение энергии вообще оказывается в термодинамике, констатируем теперь уже окончательно, просто пустым звуком. Но большинству обыкновенных людей, однако, об этом как раз совершенно не известно, а если все же некоторые из них и обращают внимание на эту тонкость, то им тут же популярно объясняют, что на самом деле следует говорить, оказывается, о двух сторонах происходящего. Во-первых - о сохранении при том же трении и т. д. собственно количества энергии (о чем знают все), а во-вторых - об убывании при этом все же так называемого ее «качества» (о самом существовании которого подавляющее число людей даже не подозревает)! Сами физики, впрочем, последний термин употребляют редко, предпочитая говорить обычно о возрастании при самопроизвольных процессах просто самой же энтропии. Но ведь это абсолютно ничего не изменяет по существу, ибо факт остается фактом - абсолютизировав сохранение собственно энергии, термодинамика тут же была вынуждена вводить новую принципиально не сохраняющуюся величину, каковой и является то же качество энергии или, что совершенно равноценно, энтропия. Иначе говоря, несохраняющаяся величина все равно должна существовать в природе (в конечном счете, она отражает именно сам факт движения любых природных систем к более вероятному своему состоянию), и любые попытки игнорировать очевидное несохранение самой энергии моментально приводят к необходимости введения новой обладающей всеми ее свойствами (и прежде всего – свойством несохранения) аналогичной величины. Так зачем же в таком случае городить весь огород, если наиболее естественно и просто считать не сохраняющейся саму же энергию? Наиболее естественно потому, что такой подход не только соответствует общепринятому пониманию энергии в механике, электродинамике и пр. (где в понятии энтропии вообще не нуждаются), но и резко упрощает, подчеркнем специально еще раз, всю научную картину в целом. Искусственное же провозглашение энергии полностью сохраняющейся, как видим, лишь усложняет эту картину, вынуждая вводить в дополнение к количественной мере энергии еще и меру ее качества. Или, повторим, ту же энтропию, просто заменяющую собой энергию в отношении главной способности последней отражать происходящие в мире изменения. Не случайно при объяснении выбора им самого термина «энтропия» Клаузиус прямо подчеркивает в одной из своих работ: «Слово «энтропия» я намеренно подобрал ближе к слову «энергия», так как обе соответствующие этим выражениям величины настолько близки по своему смыслу, что они, по моему мнению, требуют однородного обозначения» [4, С.217]. Но рационально ли такое искусственное «раздвоение» того, что ранее было просто принципиально уменьшающейся при всех самопроизвольно протекающих процессах энергией? Ведь оно лишь усложняет всю научную картину природы, неизбежно наполняя ее при этом, как мы видели, многочисленными нелогичностями. Единственное достоинство этой картины - удаление на задний план самого факта несохранения чего-либо в природе, устраняющее определенный дискомфорт для тех людей, которые искренне убеждены в сохранении в ней всего и вся. Но эта страусинная политика слишком дорого обходится не только для большинства обыкновенных людей (они то уж как-нибудь обойдутся обычными житейскими представлениями, прямо указывающими, между прочим, на необходимость вновь и вновь прилагать усилия для обеспечения себя вроде бы сохраняющейся - так для чего тогда усилия - энергией), но и для самой науки. Придерживаться ее и далее попросту не разумно - гораздо честнее признать, наконец, несохранение самой энергии, а однобоко мыслящим людям, видящим в природе только сохранение, пояснить естественность ее убыли примерно теми же словами, какими сегодня поясняется несохранение собственно энтропии. Вот как комментирует, например, сам факт возникновения (или «производства») энтропии согласно представлениям современной термодинамики попросту «из ничего» один из известных специалистов в этой области К. Денбиг: «Говоря о возникновении энтропии,- пишет он,- мы употребляем язык, применимый к вещественным телам, как будто бы мы говорим о возникновении вещества, но с той разницей, что энтропия якобы создается из ничего. Следует всегда иметь ввиду, что энтропия является такой математической функцией, которая для замкнутой системы, не находящейся в равновесии, обладает свойством возрастать с течением времени, что и подтверждается обычно опытом... Сущность второго закона состоит в том, что все многообразие наблюдаемых в мире с течением времени изменений может быть всегда истолковано при помощи одной единственной функции. Эти изменения отражаются, как в зеркале, возрастанием энтропии... Идея потока энтропии,- продолжает Денбиг,- порождает некоторые трудности для понимания, которые мы обычно забываем, когда говорим о потоке энергии. Что именно следует понимать под потоком энтропии? Соответствующий вопрос относительно потока энергии не представляется сам по себе затруднительным, так как всегда имеется удобное представление об энергии как о своего рода жидкости. Эта идея, перешедшая к нам из теории теплорода, получила мысленное подкрепление из факта сохранения энергии. С другой стороны, в случае энтропии всякая наглядная картина становится совершенно неуместной и трудности понимания сильно возрастают. Однако следует заметить, что... то, что называется потоком энергии, является просто уменьшением функции энергии в одном из тел и равным увеличением ее в другом. То же самое является верным для потока энтропии, за исключением того, что в этом случае увеличение энтропии в одном из тел и уменьшение ее в другом, в общем случае, не являются равными...» [5, С.192,193,205]. Итак, зададим теперь себе следующий простой вопрос: смущает или не смущает нас сам тезис о «производстве энтропии» из ничего? Если не смущает, то почему тогда так коробит многих тезис об исчезновении энергии в никуда? Если же все-таки смущает, то почему мы не продолжаем двигаться уже единожды проторенным путем и не постулируем сохранение еще и самой энтропии (или собственно качества энергии) тоже? Да потому, что этот путь действительно ведет в никуда - все равно рано или поздно придется вводить несохраняющуюся характеристику (этакую «суперэнтропию» или «качество качества» энергии)! В физике, как уже было сказано, обязательно должен присутствовать определенный несохраняющийся параметр, в котором, говоря словами Денбига, «как в зеркале отражается все многообразие наблюдаемых в мире с течением времени изменений»! Этот параметр, конечно, с равным основанием может называться энергией, энтропией или еще как-нибудь иначе, но принципиально важно, однако, чтобы он всегда назывался строго одинаково: только при этом главном условии отмеченное «многообразие наблюдаемых изменений» как раз и может быть в итоге «истолковано при помощи одной единственной функции»! И так как изначально такая принципиально изменяющаяся величина была названа именно энергией, то именно это название, широко всем известное сегодня, и заслуживает права оставаться в науке и далее. Да, действительно, в некоторых случаях энергия в системе, как специально отмечалось выше, почти не уменьшается - это имеет место, например, в случае так называемого абсолютно упругого столкновения тел в механике (здесь почти полностью сохраняется сама кинетическая энергия), или, скажем, при колебаниях идеального механического маятника. В последнем случае почти полностью сохраняется уже только так называемая механическая энергия, представляющая собой сумму кинетической и потенциальной (в данном случае гравитационной). Но в том-то и дело, что квинтэссенция всех подобных рассуждений, повторим снова и снова, заключена в ключевом здесь слове «почти»! На самом же деле без уменьшения той или иной формы энергии попросту не мог бы начаться ни один из названных конкретных процессов! Но только вот скорость этого уменьшения в рассмотренных особых частных случаях достаточно мала для того, чтобы приближенно считать эту скорость попросту нулевой. Данное особое обстоятельство действительно позволяет в ряде важных случаев условно использовать при математических расчетах сам принцип сохранения энергии, но в физическом отношении он, повторим, лишен всякого реального смысла! Сам же упомянутый сейчас механический маятник вообще хорошо иллюстрирует к тому же тот конкретный способ, при помощи которого в природе замедляется неизбежная в целом убыль так или иначе возникшей в ней энергии. Этот способ состоит в поочередном переходе энергии на фоне ее общего уменьшения (и благодаря этому уменьшению) из одной ее формы в другую в процессе различного рода колебаний. В результате существенно снижается итоговая скорость общей убыли энергии по сравнению с той, каковой бы она была в случае отсутствия подобных колебаний. Именно с данным обстоятельством и связан, между прочим, хорошо известный факт повсеместного распространения колебаний в природе, обеспечивающий относительную устойчивость главных ее материальных образований. В общем случае, впрочем, названные колебания являются гораздо более сложными, чем в случае механического маятника, но это уже вопрос для отдельного самостоятельного исследования, выходящего за рамки данной предварительной статьи. Сейчас же мы просто хотим еще раз подчеркнуть напоследок, что отмеченное естественное замедление убыли энергии, позволяющее иногда использовать принцип ее сохранения в ряде приблизительных математических расчетов, не должно затмевать собой в умах исследователей ясного физического понимания проблемы. Иначе вполне может возникнуть иллюзия абсолютного характера подобного сохранения, что и произошло, в конце концов, в термодинамике! Таков главный вывод всего данного натурфилософского анализа, который мы обязательно постараемся подкрепить в следующих, уже сугубо физических научных статьях гораздо более строгими математическими аргументами. В физике давно уже выработан принцип разумного сочетания сохраняющихся и не сохраняющихся величин при описании любых существующих природных явлений, причем действительно сохраняющиеся величины тоже давно уже известны физической науке. Вот мы и постараемся применить эти важнейшие наработки к описанию собственно тепловых процессов. Литература 1. Фейнман Р. Характер физических законов. - М.: Наука, 1987. 2. Физический энциклопедический словарь. - М.: Сов. энциклопедия, 1984. 3. Григорьян А. Т. Механика от античности до наших дней. - М.: Наука, 1987. 4. Гельфер Я. М. История и методология термодинамики и статистической физики. Т.1. - М.: Высш. шк.,1969. 5. Гельфер Я. М. История и методология термодинамики и статистической физики. Т.II. М.: Высш. шк., 1973. 6. Голин Г. М., Филонович С. Р. Классики физической науки. - М.: Высш. шк., 1989. 7. Шредингер Э. Что такое жизнь? С точки зрения физика. - М.: Атомиздат, 1972. 8. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. – 3.Излучение. Волны. Кванты. 4.Кинетика. Теплота. Звук. - М.: Мир, 1976.