Теплота и температура

Надо сказать, что и после создания термометра физики не сразу задумались о том, как зависят от температуры свойства тел. Только само явление теплового расширения находилось в кругу интересов физиков. Но и для этой задачи физики не были подготовлены. Шкала термометра строилась путем деления на равные части отрезка между двумя опорными точками. А можно ли утверждать, что градус вблизи 0°С тот же, что и вблизи 100 С? Да и что означают одни и те же градусы при разных температурах? Как их сравнить? Такие вопросы появились только в XIX веке. И хотя связь давления и объема газа исследована еще в середине XVII века, закон зависимости этих величин от температуры был открыт только после того, как был пройден рубеж века XIX.

Но к началу XIX века термометр стал совсем обычным прибором. Однако о том, что измеряет термометр, единого мнения еще долго не было.

К этому времени свойства газов были основательно исследованы. Связь давления газа с его объемом была выяснена еще в 1662 г. Знаменитый закон, который мы называем законом Бойля - Мариотта, на самом деле был обнаружен Тоунлеем, учеником Бойля, которому пришло в голову сравнить столбцы чисел в лабораторном журнале своего учителя. Мариотт к этому закону имел слабое отношение, он занимался воздушными шарами, и то лишь 15 лет спустя, в 1679 г., и, конечно, использовал открытие Бойля.

Впрочем, в истории науки таких случаев много. Тот, кто увидел пользу от открытого явления и эффективно его использовал, становился порою рядом с первооткрывателем.

Вторая половина газового закона была открыта еще через четверть века; в 1702 г. Дальтон и Гей-Люссак измерили зависимость объема газа от температуры. Аккуратно сформулировать этот закон было не очень легко, так как для этого надо было уже уметь хорошо измерять температуру. Поэтому коэффициент а в законе Гей- Люссака

долго просуществовал с ошибкой. Гей-Люссак считал его равным 1/266, Карно принимал его равным 1/267, Менделеев использовал почти современное значение 1/273. Но к этому времени физики не очень продвинулись в понимании того, что же такое теплота.

Даже в механике долго путали разные понятия: сила, энергия, импульс. Механики XVIII века спорили о том, что является мерой движения - кинетическая энергия или количество движения. Спорящие стороны не могли различить действие силы за единицу времени, измеряемое изменением количества движения, и ее действие на единице пути, измеряемое изменением кинетической энергии.

Кинетическую энергию долго называли "живой силой"-в отличие от "мертвой силы", например энергии сжатой пружины. Несовершенство языка науки тормозило се развитие.

Понятия "тепло" и "температура" разделить было еще труднее. Когда нагревают тело, температура его повышается. Когда тепло перетекает от одного тела к другому, температура одного тела падает, а другого - повышается.

Тепло во многих случаях ведет себя как ручей, текущий с горы в долину. Аналогия между теплом и жидкостью стала еще более убедительной после открытия электрических явлений; электрический ток также течет по проводам, как река, выравнивая потенциал между двумя заряженными телами.

В 1893 г. французский физик Бриллюэн писал так: "Что касается меня, то я остаюсь при убеждении, что определение температуры тела как количества энергии, потенциальной или кинетической, полной или частичной, одной обыкновенной материи представляется ошибочным. Температура, определяемая таким образом, будучи довольно просто связанной с термодинамическими свойствами газов, не имеет, по-видимому, никакой связи с условиями равновесия при излучении в пространство, свободное от материи. В этом последнем случае неизбежное вмешательство эфира привело г. Буссинеска к совершенно иному определению температуры - определению, которое очень мало известно, но кажется мне гораздо более удовлетворительным и плодотворным..."

Интересно посмотреть, что это за определение температуры, которое так понравилось Бриллюэну.

В давным-давно забытой всеми статье "Исследование принципов механики, молекулярного строения тел и новой теории совершенных газов", которая была напечатана в 1773 г., Буссинеск так определил температуру: "Можно назвать абсолютной температурой небольшого объема эфира половину живой силы, которой он обладает при единице массы, или количество, пропорциональное ей". Сейчас нелегко вложить смысл в это определение, мы привели его только для того, чтобы подчеркнуть, какими трудными для понимания оказались вещи, которые потом становятся простыми.

Можно все же понять, почему появились столь непонятные нам высказывания. Дело в том, что кроме газов, которые не так уж трудно представить как собрание молекул (по крайней мере, в конце XIX века так уже считало большинство), существовало еще излучение. Излучение, источником которого могли служить, например, атомы газа, несет с собой энергию, интенсивность излучения (или распределение энергии по длине волны вдоль спектра) определяется температурой излучающего газа. Энергия излучения казалась не связанной с атомами, и понять его природу было очень трудно.

Трудной была и задача определения закона распределения энергии по спектру; над ее решением работали самые сильные физики того времени. К этой задаче мы еще вернемся, сейчас же надо лишь почувствовать, сколь трудно объяснить, куда уходит энергия, которую газ отдает на излучение. Электромагнитные волны считались тогда колебанием мировой среды - эфира, непрерывно заполняющего все пространство, а потому именно эфир и должен быть носителем тепловой энергии и вместе с ней и температуры.

Развитие науки - необычайно интересный и сложный процесс. Можно любоваться красотой избранного пути, только находясь в его конце; вначале наука представляется запутанным лабиринтом, где почти все проходы кончаются тупиками. Но уроки истории науки часто не идут впрок: новые исследователи столь же уверенно устремляются по неверным дорогам, верный же путь удается найти лишь тем кто может преодолеть консерватизм научного мышления.

Трудности с излучением возникли не на пустом месте. Еще Кельвин не мог понять, какая доля энергии в газе приходится на колебания молекул. Молекулу представляли себе в виде очень маленького упругого шарика, подобного сложному, запутанному клубку пружинок, каждая из которых должна забирать свою долю энергии. Но такая модель явно противоречила опыту. Количество теплоты, которое надо затратить на нагревание газа, т. е. теплоемкость газа, было таким, какое должно было тратиться на движение молекулы как целого; на долю колебаний практически ничего не оставалось. Кельвин был в полном недоумении и даже думал, что теоремы кинетической теории тепла, открытые Максвеллом, неверны.

О кинетической теории мы еще будем говорить подробно. Здесь мы только подчеркнем, что к простому для нас сейчас представлению о движущихся атомах было не так-то легко привыкнуть. Главным препятствием к этому было излучение, которое совсем не похоже на собрание атомов и казалось непрерывной средой.

Тепловое излучение обладало парадоксальным свойством, которое демонстрировали еще в конце XVIII века. Если в фокусе вогнутого зеркала помещали кусок льда, то термометр, помещенный в фокусе другого зеркала, тоже вогнутого, показывал понижение температуры. Непонятно, что происходило в пустом пространстве, если оно служит проводником не только тепла, но и холода, ведь тепло и холод долго считали разными субстанциями. Говорили о двух типах лучей - калорических и фригорических, но это только удаляло физиков от истины.

Парадоксы с излучением и теплоемкостью молекул казались ловушкой, хитро подстроенной природой. Из этой ловушки физик, верящий в классическую физику, не мог найти выхода. Кельвин пытался найти выход в том, что температура не связана с колебаниями молекул, определяется только их поступательным движением (совсем как у Буссинеска, рассуждавшего об эфире). Кельвин считал, что он "окончательно" доказал ошибочность кинетических идей Максвелла. А были и другие ученые, предшественники Кельвина, считавшие, что надо обращать внимание только на колебания молекул. Кинетическая теория газа с трудом пробивала себе дорогу, заполняя физику парадоксами.

Как мог знать Кельвин, что классическая физика в принципе не могла разрешить возникших парадоксов? Решение пришло только с квантовой гипотезой Планка.

Но еще до открытия Планка на правильный путь вступил Нернст. Именно он первый понял, что некоторые типы движения не участвуют на равных правах в распределении энергии, что они "замораживаются" при низких температурах и вступают в игру только при высоких. Эти глубокие идеи позволили Нернсту угадать закономерности явлений вблизи абсолютного нуля, хотя их реальный смысл стал ясен лишь много позже - в квантовой механике.

Планк и Нернст принадлежали к тем физикам старого поколения, которые с энтузиазмом встретили новые идеи XX века. Именно они ввели Эйнштейна в круг крупнейших физиков своего времени. Оба они вошли до тех дней, когда их идеи вошли составной частью в великое здание квантовой физики.