Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез

«Естественные процессы, — это процессы, в которых соблюдается увеличение энтропии Вселенной. В обратимых процессах энтропия не подвергается никакому изменению». 

Благодаря этому началу можно указать направление всех процессов, которые мы можем себе представить и в которых предполагается изменение состояния системы. Естественным образом будут происходить только те, которые, кроме того что выполняют принцип сохранения энергии, еще и приводят к увеличению энтропии системы.

АТОМНЫЕ ВЕРОЯТНОСТИ

Следующим образом рассуждали некоторые ученые второй половины XIX века: если принять, что материя состоит из атомов, и с учетом того, что планеты, бильярдные шары и частицы пыли движутся согласно законам Ньютона, почему бы и атомам не поступать точно так же? Основная сложность для ученых состояла не в том, что они ничего не знали о силах, которые возникают между атомами, а в другом, более практичном аспекте. Возникал вопрос: как описать движение миллионов атомов, которые находятся в небольшом объеме газа? Нужно одно уравнение для каждого атома, что предполагает решение миллиона уравнений одновременно. Подобное было невозможно для физиков, у которых и так уже хватало сложностей при описании более простых явлений, таких, например, как движение восьми планет вокруг Солнца (еще не был открыт Плутон).

Решение в 1859 году нашел Максвелл, который занимался изучением диффузии газов. Проблема, добавившаяся к предыдущей, касалась скорости диффузии. Вернемся к нашему флакончику духов. Изначально при нормальном давлении и температуре молекулы должны двигаться очень быстро, со скоростью сотни метров в секунду. Тогда почему запах духов распространяется так медленно? В своей статье Клаузиус предположил, что каждая молекула подвергается очень большому числу столкновений, при которых не происходит потери энергии (в физике они называются «упругими столкновениями»), и при каждом из них она полностью меняет направление. Таким образом, чтобы запах духов дошел до другого конца комнаты, молекула должна пройти многокилометровый путь. Максвелл объяснил проблему, с которой столкнулся, предельно ясно: 

«Если ты едешь со скоростью 17 миль в минуту и полностью меняешь направление 1700000000 раз в секунду, где ты будешь через час?» 

Клаузиус предположил, что все молекулы газа движутся на одной и той же скорости, и это было похоже на правду. Но ему не приходило в голову взглянуть на проблему по-другому. Для Максвелла эта проблема была похожа на ту, с которой он столкнулся, размышляя о кольцах Сатурна. Как и в том случае, он не мог составить уравнение для каждого из атомов газа. Что делать? Это был момент вдохновения, приправленный, кроме того, большой дозой смелости. Максвелл решил отложить вездесущие законы Ньютона и подойти к проблеме, как будто он ставит эксперимент у себя в лаборатории, а именно применить теорию вероятностей и статистику к газам. Как хороший экспериментатор, он знал, что ошибки при измерениях подчиняются статистическим законам, используемым социологами для изучения населения. То, что сделал Джеймс, было прыжком в бездну, потому что никому в голову не приходило применять данные законы к физическим процессам.

Речь шла не о том, чтобы рассматривать свойства каждого отдельного атома, а о том, чтобы усреднять эти свойства в их совокупности. Мы не сможем назвать, например, скорость конкретной молекулы, зато можем дать распределение скоростей совокупности молекул, которые составляют газ. Это означает, что нам удастся вычислить с некоторой точностью, сколько молекул перемещается с заданной скоростью, и мы можем сделать то же самое для энергии каждой частицы. Максвелл осуществил гигантский прорыв в физике, впервые в истории сформулировав статистический закон в одном-единственном уравнении. Такой подход к изучению газов сразу приводит нас к интересным последствиям.

На микроскопическом уровне можно описать то, что происходит с газом при заданном распределении скоростей и значений энергии составляющих его молекул. Кроме того, на макроскопическом уровне можно точно так же описать сам газ, измерив его термодинамические свойства, такие как давление, температура или внутренняя энергия. Следовательно, так как в обоих случаях мы имеем дело с описанием одного и того же объекта, то они должны быть связаны между собой: мы должны уметь связать, например, температуру газа с механическими свойствами составляющих его молекул. Более того, температура, тепло и работа — всего лишь следствия того, что происходит внутри газа на микроскопическом уровне.