В океане энергии

Но почему мы так ополчились на силу? Что ни говори, но уже несколько столетий понятие силы верой и правдой служит человечеству. Оно лежит в основе не только классической механики, но и классической электродинамики. С помощью уравнений, в состав которых входит сила, решено множество замечательных задач. В частности, было предсказано существование еще неоткрытой планеты. Все так, но в этой книге мы ставим себе цель понять, почему происходят те или иные явления или, что то же самое, как зависит проявление одной физической сущности от проявления другой физической сущности. Понять это трудно, когда имеешь дело с сущностями, которые то есть, то их нет.

В этой главе мы хотим понять, как происходят взаимные превращения тепловой и механической энергии. Исходим из реальной картины мира, т. е. считаем, что все без исключения тела состоят из молекул, молекулы, в свою очередь,— из атомов. Другими словами, любое тело, будь оно твердое, жидкое или газообразное, есть множество атомных ядер, расположенных друг от друга на расстояниях, в сотни тысяч раз превышающих их собственные размеры. Подобный взгляд на вещи, в частности, заставляет нас самым категорическим образом отказаться от представления о стенках, которые ограничивают объем с газом в классической термодинамике и о которые якобы ударяются молекулы, создавая силу, называемую давлением. Такие стенки просто не из чего изготовить. Что можно предположить? Молекулы стенок расположены ближе друг к другу, чем молекулы газа. Но и это несущественно.

Отказавшись от понятия силы, давайте рассматривать взаимодействие между молекулами газа и молекулами стенок как обмен количествами движения. Пока объем остается постоянным, сумма количеств движения отдельно молекул газа и отдельно молекул стенок, а также и тех и других, взятых вместе, равна нулю. Может ли быть такое при неравенстве нулю количеств движения отдельных молекул? Да, потому что количество движения, будучи произведением массы на скорость, имеет не только величину, но и направление. Два количества движения, направленные в противоположные стороны, взаимно вычитаются.

Изменение объема означает, что сумма количеств движения перестала быть равной нулю. Выделяется некоторое преимущественное направление, куда направлен вектор суммы количеств движения. Зная об энтропии, вы даже можете сразу сказать, куда. Направлен он так, чтобы происходящее в этом направлении движение сопровождалось повышением энтропии системы газ — стенки. До чего все оказывается просто, если опереться на систему правильных представлений!

Как связано количество движения с энергией и работой? Предположим, что некоторое тело или система тел в какой-то момент времени обладало скоростью vj

и, следовательно, кинетической энергией, равной —^— ,

где т — масса тела (системы тел). Предположим далее, что скорость менялась и стала равной v2. Подсчитаем разность энергий

Д£ = - J— = -j — Vl).

Разность квадратов двух чисел есть произведение суммы этих чисел на их разность. Обозначим разность (t»2—i>i) через Av и напишем

AE = -j-(vt + v1)Av.

Предположим теперь, что скорость изменилась очень мало и сумму v^ + V} можно считать равной удвоенному значению некоторой средней скорости 2 и. Тогда получится AE=mvAv. Но произведение массы на скорость — это количество движения. Получаем окончательно AE=pAv, где p=mv — количество движения. Иными словами, количество движения есть величина, которая показывает, на сколько изменится энергия тела (системы тел), если его скорость изменится на Av.

Вспоминая материал предыдущей главы, можно сказать, что между температурой и количеством движения есть кое-что общее. Только в отличие от температуры количество движения — величина аддитивная, подчиняющаяся закону сохранения. Закон сохранения количества движения, как и закон сохранения энергии, представляет собой следствие некоторого простого утверждения: свойства нашей Вселенной не изменяются при перемещении в ней от одной точки пространства-времени к другой по прямым линиям. Говорят, что Вселенная симметрична по отношению к параллельным переносам.

Как можно было бы объяснить, тот факт, что количество движения изолированной физической системы не сохранилось? Двигаясь прямолинейно и равномерно с постоянной скоростью, она приобретала бы другие свойства (другое количество движения). А. если система изолированная, это возможно только в том случае, если бы она попала в другую среду с другими свойствами. В том-то и сила законов сохранения, что их не надо объяснять. Они сами собой вытекают из имеющихся на сегодня сведений о некоторых общих свойствах Вселенной.

Из Софии в Пловдив