В океане энергии

Классическое объяснение этого факта таково. Уменьшая объем, вы совершаете механическую работу против силы давления идеального газа. Эта работа преобразуется в энергию молекул. Правильно? Конечно, не только качественно, но и количественно. И все-таки непонятно, как уменьшение объема может сказаться на кинетической энергии, т. е. в конечном итоге на скорости движения молекул, а следовательно, на температуре?

Предлагают и такое объяснение. Мол, при сжатии сосуда с газом его стенки движутся, и это движение передаегся сталкивающимся со стенками молекулам. В подобном случае изменение кинетической энергии молекул вроде бы должно зависеть от скорости, с которой вы сжимаете сосуд. А вот этого-то и не наблюдается. Как же на самом деле механическая работа, совершаемая при сжатии сосуда, приводит к увеличению кинетической энергии молекул идеального газа?

Встреча с квантами

Уравнение Клапейрона знают все — его проходят в школе. Большинство, конечно, благополучно забывают сразу после сдачи экзамена. Кое-кто (мы не имеем в виду специалистов-физиков) помнит и относится к нему как должно. Но лишь немногие, к числу последних относятся и авторы книги, пытаются разобраться вот в чем. Уравнение Клапейрона обобщает огромное количество экспериментальных данных — в свое время было потрачено достаточно сил, чтобы выверить все досконально. И все же остается сомнение, которое не дает нам покоя: почему постоянная, входящая в уравнение Клапейрона,— ее называют универсальной газовой постоянной— равна 0,082 л-ат/град-моль? Почему она такая, а не какая-нибудь еще? Почему именно восемьдесят две тысячные?

В свое время Пифагор считал, что существуют особые магические числа, которые правят миром. Но даже ему не приходило в голову, что магическим числом могут быть восемьдесят две тысячные. А ведь если полистать школьный учебник физики, то и дело будешь натыкаться на всякого рода постоянные, и все они выражаются числами с большим количеством цифр и совершенно непонятно, почему они такие, а не какие-либо еще.

Сегодня все знают — мир описывается квантовой физикой и теорией относительности. Но к сожалению, глубоко укоренилось мнение, что существует особый микромир — мир атомов, электронов и других мельчайших частиц, законы квантовой физики якобы справедливы только в этом микромире. А в мире окружающих нас «больших» вещей можно вполне обойтись классической физикой.

Слов нет, уравнения Клапейрона справедливы, и если вы станете, например, надувать футбольный мяч, то можете совершенно точно вычислить, как будет увеличиваться давление воздуха в нем, как будет повышаться температура этого воздуха, а измерив эти величины, обнаружите полное совпадение с теорией. Но по-прежнему останется непонятным, почему все происходит именно так, а не иначе?

Можно все, кроме того, что нельзя

Принято считать, что квантовая физика очень сложна.

— Сдал кванты! — раздается ликующий возглас в коридоре университета, и это обстоятельство признается чуть ли не равносильным окончанию физического факультета. На самом деле квантовая физика в некоторых отношениях проще классической. Самая ее сущность может быть сформулирована одной фразой: можно все, кроме того, что нельзя. В основе квантовой физики лежат несколько фундаментальных законов, носящих характер запретов. Прежде всего это законы сохранения энергии, количества движения и момента количества движения. Формулируются они именно как запреты: Энергия, количество движения и момент количества движения не могут возникать из ничего или исчезать бесследно. Любое явление, не противоречащее основным запретам, может произойти и происходит на самом деле. Квантовая физика в основном занимается подсчетом того, насколько часто происходит то или иное из числа разрешенных событий.

Следующий запрет квантовой физики называется соотношением неопределенностей Гейзенберга. Он гласит: произведение неопределенности координаты материального объекта на неопределенность количества движения этого объекта не может быть меньше некоторой постоянной величины, называемой постоянной Планка. Постоянная Планка равна 6,62-10~27 эрг-с. Еще одна постоянная, столь же неудобочитаемая, как и предыдущие? Подождем, однако, делать выводы.

Для соотношения неопределенностей есть и такое выражение: 'произведение неопределенности в величине энергии материального объекта на неопределенность времени не может быть меньше постоянной Планка.

Оба рассмотренных выражения соотношения неопределенностей суть неравенства. Заменим их равенствами.

Не станем пока обсуждать правомочность такой замены. Поделим первое равенство на второе. Еще несколько преобразований, и получаем интересный результат. Неопределенность объема, в котором находится материальный объект, помноженная на величину давления, которое объект оказывает на стенки сосуда, взаимодействуя с ними, и поделенная на неопределенность энергии этого объекта, равна единице. Не каким-то там восьмидесяти двум тысячным, а в точности единице. Такая закономерность внушает к себе доверие именно своей простотой.