Макс Лауэ - ИСТОРИЯ ФИЗИКИ
Особенно ясное выражение закона Гельмгольц дал в докладе на заседании Берлинского общества физиков 23 июля 1847 г. В противоположность Майеру Гельмгольц признавал, как и большинство его современников, возможность механического объяснения всех явлений природы посредством центральных сил притяжения и отталкивания. Он ошибочно усматривал в нем достаточное и необходимое условие для невозможности perpetuum mobile. Но в своих дедукциях он не пользовался этой механистической гипотезой, а выводил различные выражения для энергий непосредственно из принципа невозможности perpetuum mobile хотя бы уже потому, что сведение всех явлений к механическим силам не могло быть достигнуто. Поэтому установленные им законы, не связанные с этой ошибочной концепцией, смогли ее пережить. Гельмгольц ввел в механику новое понятие «потенциальной энергии»; он дал также выражения энергии для гравитационных, статических электрических и магнитных полей. Новым являлось также то, что он говорил с энергетической точки зрения о получении токов в гальванических и термических элементах, а также об электродинамике, включая явления индукции. Когда мы теперь вычисляем энергию поля тяготения через произведения масс и потенциалов, энергию электрического поля через произведение зарядов и потенциалов, мы непосредственно опираемся на работу Гельмгольца.
Мы зашли бы слишком далеко, если бы захотели войти в эти вопросы подробнее; мы не можем также здесь заниматься дальнейшим развитием закона. Упомянем только заключительное 'определение, которое дал в 1853 г. Вильям Томсон (позднее лорд Кельвин, 1824-1907): «Под энергией материальной системы в определенном состоянии мы понимаем измеренную в механических единицах работы сумму всех действий, которые производятся вне системы, когда она переходит из этого состояния любым способом в произвольно выбранное нулевое состояние». В словах «любым способом» заключается закон природы - закон сохранения энергии.
Рассуждения Гельмгольца 1847 г. не нашли сразу общего признания; его старшие современники боялись возрождения фантазий гегелевской натурфилософии, против которой они давно боролись. Только имеющий большие заслуги в механике математик Густав Якоб Якоби (1804-1851) сразу признал в рассуждениях Гельмгольца законное продолжение хода мыслей тех математиков XVIII столетия, которые преобразовали механику. Но когда около 1860 г. закон сохранения энергии нашел всеобщее признание, он стал, конечно, очень скоро краеугольным камнем всего естествознания.
Особенно в физике отныне рассматривали любую новую теорию прежде всего с той точки зрения, удовлетворяет ли она этому закону. В 1890 г. воодушевление зашло у некоторых ученых, например у выдающегося физико-химика Вильгельма Оствальда (1853-1932), так далеко, что они сделали понятие энергии центральным пунктом мировоззрения («энергетики») или, по крайней мере, стремились вывести из него другие физические законы. Они настолько далеко зашли в своем отрицании второго начала термодинамики, что отрицали различие между обратимыми и необратимыми процессами и, например, переход тепла от более
высокой к более низкой температуре ставили на одну ступень с падением тел в поле тяжести. Плаик с незначительным успехом возражал против этого с точки зрения термодинамики. Более действенно возражал Людвиг Больцман с точки зрения атомной теории и статистики. Наконец, «энергетика» исчезла, как многие другие заблуждения, со смертью ее защитников.
Понятие энергии проникло также в технику. Каждая машина оценивается по ее энергетическому балансу, т. е. насколько вложенная энергия превращается в ней в желаемую форму энергии. В наше время это понятие входит в умственный инвентарь каждого образованного человека.
Учение об энергии не завершилось признанием закона сохранения. Оно до нашего времени продолжало развиваться. Гельмгольц вычислил, как было сказано, энергию электростатических и магнитостатических полей из зарядов и потенциалов. Применение фарадеев-ской идеи близкодействия побудило Максвелла локализовать эту энергию в пространстве и каждому элементу объема приписать определенную ее долю. Джон Генри Пойнтинг (1852-1914) в 1884 г. развил теорию потока энергии для изменяющихся полей, в которых объемные элементы не сохраняют своей доли энергии, совсем так, как будто бы электромагнитная энергия является субстанцией. Г. Ми показал в 1898 г., что можно перенести это представление на упругую энергию; например, через передаточный ремень, соединяющий паровую машину с рабочей машиной, идет поток энергии противоположно его движению, и когда вместо ремня устанавливают приводной вал, тогда энергия течет параллельно оси вала. Сюда присоединяется расширение Планком (1908) эйнштейновского закона инертности энергии (гл. 2 и 6): с любым потоком энергии связан импульс (в смысле механики). Плотность
импульса, т. е. импульс в единице объема, получается делением плотности потока энергии на квадрат скорости света. В действительности это уже было известно из опыта, впервые проведенного в 1901 г. Петром Лебедевым (1866-1912), относительно давления, оказываемого на тела светом или другими электромагнитными волнами. Именно свет несет импульс. Впрочем, этот закон установили уже в 1900 г. Анри Пуанкаре (1854-1912), Г. А. Лорентц (1853-1928) и другие, ограничиваясь только электромагнитной энергией.
В ньютоновской механике кинетическая энергия играет особую роль; она присоединяется к каждому другому виду энергии как следствие движения. Согласно теории относительности эта особая форма энергии отпадает. Вместо этого любой вид энергии умножается на множитель, зависящий от скорости. Это существенное изменение в наших воззрениях тесно связано с законом инертности энергии; получился бы порочный круг, если бы мы хотели, с одной стороны, свести какую-либо форму энергии к инерции тел и, с другой стороны, инерцию свести к энергии.
Чаще применяют закон инертности энергии в следующей форме: масса тела равна его энергии (в состоянии покоя), разделенной на квадрат скорости света. Сообразно с этим ограничивается значение закона сохранения массы. Получение теплоты или работы, например при сжатии тела, увеличивает его массу; отдача тепла или работы уменьшает ее. Химические реакции, поскольку они протекают с выделением тепла, уменьшают общую массу участников реакции, правда настолько мало, что это уменьшение не поддается даже точнейшему взвешиванию. Поэтому Ландольт (гл. 2) не мог его установить. Но при превращении атомных ядер освобождаются количества энергии, очень
большие по сравнению с массами. Они играют в учении об ядерных превращениях очень существенную роль (гл. 11).
Закон инертности энергии заполняет пробел, который еще имелся в вышеприведенном определении энергии. За нулевую точку энергии принимается произвольно выбранное состояние. Но если сводят любую инертную массу к энергии, то и та, и другая определяются без подобного произвола. Что это сведение соответствует природе, внушительно доказывается тем фактом, что электрон и позитрон могут целиком превращаться в энергию излучения (гл. 14).
Если отвлечься от энергии приливов и отливов, то вся энергия, используемая на Земле до последних лет, возникла, в конечном счете, из солнечного излучения. С открытием закона сохранения энергии поэтому остро встал вопрос о происхождении энергии, постоянно излучаемой Солнцем и звездами. Мысль Май ер а о сведении этой энергии к кинетической энергии метеоритов, постоянно падающих на эти большие тела, оказалась при ближайшем рассмотрении недостаточной. Гельм-гольц указал в 1854 г. на гравитационную энергию той большой шаровой туманности, из которой, согласно космогонии Канта-Лапласа, образовались путем уплотнения Солнце и звезды, - процесс, который в действительности должен превращать эту энергию в другие формы.
Но и этот запас энергии также недостаточен для излучения звезд, насчитывающих продолжительность жизни в миллиарды лет. Лишь физика атомного ядра (гл. 11) дала нам знание достаточно мощного источника энергии. Высокие температуры внутри звезд делают возможными ядерные реакции, которые мы получаем обычно только в лаборатории с электрически ускоренными частицами. В 1938-1939 гг. К. Ф. Вейцзекер и Г. А. Бете показали, что вероят-
ный механизм порождения энергии в звездах состоит в образовании ядер гелия путем соединения элементарных частиц. Это происходит, правда, не непосредственно, но через ряд промежуточных хорошо известных ядерных реакций. Теперь человечество в состоянии, хотя пока еще в скромной степени, пользоваться атомными превращениями как источником энергии непосредственно, а не окольным путем через солнечное излучение (гл. 11).
ГЛАВА 9
ТЕРМОДИНАМИКА
Классическая термодинамика, которую раньше называли механической теорией теплоты, покоится на трех основных законах. Первым является закон сохранения энергии (гл. 8), особенно содержащееся в нем высказывание о том, что теплота есть форма энергии, измеряемая механической мерой. Все его содержание заключается в невозможности perpetuum mobile.
