Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

И как ни удивительно, в основе этой маленькой неудачи Ньютона лежало то же самое неосознанное и ясно не сформулированное убеждение, без которого было бы невозможно и его величайшее научное достижение — открытие закона всемирного тяготения. Убеждение это состояло в том, что мир, вселенная подчиняются законам, если так можно выразиться, изотермической механики, механики, в которой температура движущихся тел не зависит от их движения друг относительно друга. Сейчас мы знаем, что это не так, что вращение, скажем, Луны вокруг Земли вызывает приливы и деформацию земной оболочки, возникающее при этом трение превращает кинетическую энергию вращения Луны в теплоту, тормозит ее движение и нечувствительно меняет ее траекторию. Правда, эти изменения на протяжении жизни человечества столь ничтожны, что, пренебрегая ими, астрономы смогли построить свою изумительную небесную механику, точность предсказаний которой побудила ученых и механику земную строить по образцу и подобию небесной.

Перенесенная на землю небесная механика с ее ореолом идеальности заставила ученых считать, что идеальные механические процессы и на Земле не должны сопровождаться изменениями температуры, должны быть изотермическими. Поэтому, проводя в своих лабораториях чисто механические эксперименты, ученые и не думали выяснять, как изменяются температуры тел в ходе опыта. Но здесь положение было иное, чем на небесах, ибо две принципиально разные причины — обратимое адиабатическое сжатие и необратимое трение — приводили к одинаковому следствию — повышению температуры.

Вот почему в представлении ученых сложилось мнение, что стоит устранить трение в механических процессах — и будет тем самым устранено повышение температуры во взаимодействующих телах. Вот почему идеальная механика мыслилась как изотермическая наука. Вот почему распространение звука Ньютон считал процессом изотермическим и получил результат, не соответствующий действительности. И вот почему, наконец, французский механик Лаплас смог исправить ошибку Ньютона только тогда, когда ясно понял: распространение звука в газе — процесс адиабатический.

Справедливости ради надо сказать, что в окружающей нас жизни масштабы скоростей и энергии движущихся твердых тел чаще всего позволяют пренебречь адиабатическим изменением их температуры. В пределах упругости адиабатические изменения температуры многих металлов составляют не больше 1–2 °C. Живи мы на другой планете, где сила тяжести в сотни или тысячи раз превышает силу тяжести на Земле, и имей мы металлы идеально упругие, мы, возможно, своими глазами увидели бы, как вследствие адиабатического расширения и сжатия периодически раскаляется докрасна и снова охлаждается нить колеблющегося маятника. В наших же условиях температура тел вследствие адиабатического взаимодействия в большинстве случаев могла бы изменяться на 1–2 °C.

Теперь представьте себе, что бы произошло, если бы ученые вовремя обнаружили эти температурные изменения и установили их связь с механическим движением тел. Можно смело утверждать: классическая механика как наука сложилась бы на несколько десятилетий, а то и столетий позднее. Ведь тогда в набор чисто механических параметров, таких, как сила, пространственные координаты, время, скорость, ускорение, пришлось бы включить и такой существенно немеханический параметр, как температура. Температура потребовала бы предварительного уяснения множества других термодинамических понятий и зависимостей. Короче говоря, для того чтобы создать классическую механику, а может быть, и все остальные естественные науки, понадобилось бы прежде во всех деталях понять и разработать термодинамику.

Но зато, возникнув позже, классическая механика была бы свободна от тех понятий и представлений, которые некогда облегчили ее формирование, но которые потом породили немало споров и затруднений. Одно из таких понятий — потенциальная энергия.