Заключение

Вернемся к тому, о чем уже говорили не раз. Учение о теплоте стало частью современной науки, когда поняли, что теплота есть энергия и что температура измеряет энергию теплового движения. И хотя когда-то считалось, что температура характеризует содержание теплорода, при переходе к новым воззрениям шкала температуры осталась старой.

Физикам повезло: термодинамическая шкала температур оказалась очень близкой к шкале старых газовых термометров и совпадала с ней для идеального газа. Поэтому не возникало необходимости изгнать градус из употребления, заменив его единицей энергии - джоулем. Градус термодинамической шкалы температур - кельвин - остался в Международной системе единиц (СИ) наряду с молем для числа молекул, ампером для силы тока и канделой для силы (интенсивности) света.

Пройдет, наверное, немало времени (если вообще это случится), пока станут называть температуру здорового человека не 36,6 °С и даже не 309,8 К, а 4,28*10^-21 Дж.

Еще недавно точность тепловых измерений была существенно хуже, чем точность измерений в механике, и сравнивать градус с джоулем было трудно. Сейчас положение изменилось, и точность постоянной Больцмана приближается к точности других фундаментальных постоянных. Современное значение постоянной Больцмана

В этом числе можно верить четырем знакам после запятой. Число в скобках оценивает, насколько могут отличаться последние два знака от их истинных значений. Относительная погрешность (отношение абсолютной погрешности 44*10^-29 к самой постоянной Больцмана) составляет 32*10^-6. Постоянная Больцмана отражает связь между теорией теплоты и механикой, связь, которую раскрывали физики в течение почти всего XIX века. Значение других фундаментальных констант сейчас определено точнее. Например, погрешность в современном значении постоянной Планка составляет 5,4*10^-6. С такой же малой погрешностью (5,1*10^-6) известна и постоянная Авогадро^*:

Произведение к и N_A дает значение газовой постоянной:

^*(Новое значение постоянной Авогадро: N_A=6,0220978*10²³ моль^-1 еще не получило официального признания. )

Физики часто измеряют энергию не в джоулях, а в электрон-вольтах. Переводной коэффициент равен приблизительно 1,6*10^-19 Дж/эВ, а точнее

Постоянная Больцмана, переводящая температуру в электрон-вольты, равна

В физике есть несколько очень коротких формул, появлением которых отмечены революционные моменты в истории физики. Первая из них формула Больцмана:

вторая формула Планка:

третья формула Эйнштейна^*;

^* (К ним еще можно добавить менее понятную формулу общей теории относительности G_ik=xT_ik где G_ik описывает свойство пространства и времени, T_ik - распределение вещества и его движение, а х - постоянная Эйнштейна, связанная с постоянной тяготения ν формулой )

С каждой из этих формул связана одна из фундаментальных постоянных (к, ћ, с), каждая из них устанавливает связь между величинами, считавшимися раньше различными по своей природе: вероятность и энтропия, масса и энергия, частота и энергия. В системе единиц, которой обычно пользуются в теоретической физике, полагают k=ћ=c=1. В такой системе Е= ω, Е=т. В системе единиц СИ температура измеряется в кельвинах, а не в джоулях. В этой системе у постоянной Больцмана и появилась размерность.

Включение в систему СИ дополнительной единицы - температуры - приводит к появлению величин необычной размерности. Размерность постоянной Больцмана Дж/К. Но обе величины: и джоуль, и кельвин, в строгом смысле, имеют одинаковую размерность - размерность энергии. Поэтому в системе единиц, в которой основными считаются три величины: длина, время и масса, постоянная Больцмана считалась бы безразмерной подобно тому, как безразмерен коэффициент, переводящий морские мили в метры.

Так, постоянная Больцмана осталась в физике, как напоминание о теории теплорода, теории хотя и ложной, но оказавшейся очень важным этапом на пути к установлению закона сохранения энергии.

Естественная тепловая шкала будет установлена тогда, когда физики научатся хорошо измерять работу в тепловом цикле (используя первое начало термодинамики) и устраивать цикл Карно для измерения отношения температур (используя второе начало термодинамики).

Эти задачи решаются при измерениях флуктуаций. Вероятность найти систему в каком-нибудь неравновесном состоянии связана непосредственно с термодинамической температурой. Но точные измерения флуктуаций - дело нелегкое, а формулы, связывающие измеряемые величины с температурой, совсем не так просты, как уравнение идеальных газов.

Так что пока физики продолжают довольствоваться условной единицей калорией - и условными опорными точками, которые дают возможность согласовывать термометры во всем мире.

Мы уже говорили, что за основную точку условились избирать тройную точку воды. Кроме этой точки при градуировании эталонных термометров используют и ряд других точек, температуры которых по определению считаются точными ).

^* (Как уже говорилось, если установить одну опорную точку (и абсолютный нуль) с помощью цикла Карно, то все остальные точки можно измерить, а не задавать произвольно.)

Их значения, конечно, отвечают самым лучшим измерениям, однако условливаются, что дальнейшие улучшения методов измерения не будут их изменять, так что практическая шкала температур будет отличаться от строгой термодинамической до тех пор, пока не будет решена задача об измерении количества теплоты в джоулях.

Приведем в заключение список некоторых опорных температурных точек (в кельвинах), принятых в 1968 г. и предложенных в 1976 г,

Эта таблица дает представление о точности современной шкалы температур.

Мы заканчиваем историю о температуре там, где идут современные исследования.

Поведение вещества в милликельвинной области, процессы в молодой горячей Вселенной, установление хаоса содержат много увлекательных задач, решение которых занимает умы нового поколения естествоиспытателей.

На географических картах иногда писали hie sunt leones - "здесь дикие звери". Надписью отмечали районы, о которых географы еще ничего не знали. Такие слова можно было бы написать почти во всех местах физической карты.

Наука, в отличие от газа, имеет память. Все, что мы сейчас знаем, основано на трудах и открытиях наших предшественников. Все, сделанное ими, сохраняется в сложной структуре современности.

В этой книге было рассказано о некоторых событиях, которые определили развитие великой науки - физики.