Тверской государственный университет
РЕФЕРАТ ПО ПРЕДМЕТУ
"ИСТОРИЯ ФИЗИКИ"
Тема: "Философские взгляды Больцмана в свете полемики по проблемам физики кон. ХIХ – нач. ХХ веков"
Выполнили студенты
физико-технического факультета
5-го курса
Соловьева О.И.
Краснова И.С.
Тверь, 1999 г.
Больцман, безусловно, является самым великим из мыслителей Австрии и может быть поставлен в один ряд с Ньютоном, Максвеллом и Эйнштейном. Как физик он, как никто другой, проложил дорогу для атомистики. Его труды повлияли на развитие не только физики и химии, но и биологии XX столетия.
Ставшие классическими исследования Больцмана в области молекулярно-кинетической теории, статистической механики, теории излучения настолько проникли в основные представления нашей физической картины мира, что стали достоянием не только университетских, но и школьных курсов физики.
Л, Больцман установил связь между энтропией и вероятностью состояния системы, разработал максвелл-больцмановское распределение, раскрыл основные закономерности поведения и эволюции неравновесных систем, установил глубокое значение проблемы флуктуаций, теоретически доказал закон излучения абсолютно черного тела Стефана-Больцмана. Это далеко не полный перечень основных результатов теоретических исследований Больцмана, служащих неиссякаемым источником поистине бесчисленных научных работ и технических приложений.
В середине XIX столетия Манером, Гельмгольцем, Кронигом, Клаузиусом и Максвеллом была найдена математическая формулировка первого начала теории теплоты, которое является идентичным законом сохранения энергии. Энергия за время любого процесса не исчезает. С другой стороны, энергия ни при каких обстоятельствах не создается вновь из ничего. Таким образом, сутью закона сохранения энергии (первого начала теории теплоты) является констатация, что в замкнутой физической системе величина энергии постоянна. Этот закон природы может быть выражен также в другой форме: невозможен вечный двигатель, постоянно создающий энергию из ничего. Такой вечный двигатель (по причинам, которые будут рассмотрены ниже) называется perpetual mobile первого рода.
Не менее важным, чем первое начало, является второе начало термодинамики, которое может быть также названо законом о неосуществимости perpetual mobile второго рода. Так, не затрагивая первого закона, можно было бы представить себе работающую машину, покрывающую свою потребность в энергии при помощи теплоты из какого-нибудь резервуара. Энергия, следова следовательно, будет создана не из ничего, а из некоторого резервуара, например, из океана, который при этом будет охлаждаться. Если созданная машиной энергия движения, как это обычно имеет место в земных приборах, в результате сопротивление трения в конечном итоге снова превратится в теплоту и это тепло возвратится в океан, то, несмотря на постоянную работу машины, в состоянии системы, очевидно, не произойдет никаких изменений. Можно было бы предположить, что такая машина, если она вообще работает, могла бы продолжать работать вечно. Эта машина практически могла бы производить ту же работу, что и perpetual mobile первого рода. Именно поэтому машина получила название perpetual mobile второго рода.
Опыт многих тысячелетий показал, что perpetual mobile второго рода не может быть построен. Уже в первой половине прошлого столетия известные ученые, в том числе Карно, Клаузиус, Уильям Томсон и Гельмгольц, сформулировали условия, при которых возможна работа теплового двигателя. Но исходя из этого закона, Клаузиус сделал вывод, что все виды энергии со временем превратятся в тепловую, а тепловая энергия, в силу указанного закона, равномерно рассеется во Вселенной, которую он представлял как замкнутую систему, и наступит общее энергетическое равновесие, прекратится движение и наступит абсолютный покой и "тепловая смерть" Вселенной.
В те времена термодинамика, не требующая для развития своих основных положений каких либо предположений о строении вещества, казалась многим физикам и философам великолепным опровержением материализма. Сложилась противоречивая картина. Закон сохранения энергии (первое начало термодинамики) укреплял позиции материалистов и подрывал устои религиозного мировоззрения. С другой стороны, теория “тепловой смерти” практически совпадала с учением о “конце мира”. Наука XIX века вплотную подошла к вопросам, издавна считавшимся прерогативой религии. Это были вопросы начала и конца мира, сотворения и уничтожения материи. Выдвинутое Больцманом на основе атомистических представлений вероятностное толкование второго закона термодинамики, развиваемая им флуктуационная гипотеза эволюции Вселенной не оставили камня на камне от прежних мистических представлений. Именно поэтому его взгляды были встречены в штыки всеми идеалистически настроенными учеными. Была подвергнута сомнению вся теоретическая база его исследований, созданное Больцманом объявлялось научно несостоятельным в первую очередь потому, что оно опиралось на пока недоказанную экспериментально гипотезу об атомистическом строении вещества
Вообще, во время вего периода существования философии камнем преткновения была весьма сложная проблема определения сущности материи. Сложность эта заключается в высокой степени абстрактности самого понятия материи, а также в многообразии различных материальных объектов, форм материи, ее свойств и взаимообусловленностей. В связи с этим перед философией и другими науками стоит множество вопросов: Что такое материя? Как развивались представления о ней? Как соотнести с понятием материи бесконечное множество конкретных предметов, вещей? Какими свойствами она обладает? Вечна ли и бесконечна материя? Что является причиной ее изменения? Какие виды материи известны в настоящее время? Как осуществляется взаимный переход одних видов материи и форм ее движения в другие? На основе каких законов это происходит? Наконец, каким образом возникло такое свойство материи, как сознание?
Оценивая в целом представления классической физики XIX в. о строении и свойствах материи, отметим, что они страдали теми же недостатками, что и учения древних. Точка зрения на материю как на первичную, неизменную субстанцию и отождествление ее при этом с веществом содержали в себе предпосылки возможности критических ситуаций в физике. И это не замедлило сказаться.
На благополучном, казалось, фоне "стройной теории" вдруг последовала целая серия необъяснимых в рамках классической физики научных открытий. В 1896 г. были открыты рентгеновские лучи. В 1896г. Беккерель случайно обнаружил радиоактивность урана, в этом же году супруги Кюри открывают радий. Томсоном в 1897 г. открыт электрон, а в 19О1 г. Кауфманом показана изменчивость массы электрона при его движении в электромагнитном поле. Наш соотечественник Лебедев обнаруживает световое давление, тем самым окончательно утверждая материальность электромагнитного поля. В начале ХХ в. Планком, Лоренцом, Пуанкаре и др. закладываются основы квантовой механики, и, наконец, в 19О5 г. Эйнштейном создается специальная теория относительности.
Многие физики того периода, мыслящие метафизически, не смогли понять природы этих открытий. Вера в незыблемость основных принципов классической физики привела их к скатыванию с материалистических позиций в сторону идеализма. Логика их рассуждений была примерно такова. Атом - мельчайшая частица вещества. Атом обладает свойствами неделимости, непроницаемости, постоянства массы, нейтральности в отношении заряда. И вдруг оказывается, что атом распадается на какие-то частицы, которые по своим свойствам противоположны свойствам атома. Так, например, электрон имеет изменчивую массу, заряд и т.д. Это коренное отличие свойств электрона и атома привело к мысли, что электрон нематериален. А поскольку с понятием атома, вещества отождествлялось понятие материи, а атом исчезал, то отсюда следовал вывод: "материя исчезла". С другой стороны, изменчивость массы электрона, под которой понималось количество вещества, стала трактоваться как превращение материи в "ничто". Таким образом, рушился один из главнейших принципов материализма - принцип неуничтожимости и несотворимости материи. В физике наступил кризис.
Кроме того, изменение представлений о пространстве и времени, связанное с созданием неевклидовых геометрий, открытием специальной теории относительности, также вызвало большой резонанс и в области философии. Ряд философов и физиков пришли к выводу: поскольку наши представления о пространстве и времени меняются, следовательно, они субъективны. Особенное место в отстаивании этого положения заняла разновидность теории физического идеализма – махизм. Это течение получила свое название по имени его основателя и идеолога, главы Венского кружка физиков Э. Маха. По Маху пространство и время представляют собой лишь упорядоченные системы рядов ощущений. Последователь Маха Пирсон утверждал, что пространство и время находятся не в вещах, а в нашем способе воспринимать вещи. Знаменитый математик Пуанкаре говорил, что изменчивость понятий пространства и времени является свидетельством навязывания их нами природе в целях удобства.
В дальнейшем в классической физике оформился широкий спектр возможных решений проблемы отношения между наблюдением и теорией: от категорического требования соответствия всех элементов теории восприятия до совсем умеренного требования проверяемости следствий теории. Вот что о теории говорил Больцман: “Я не был бы настоящим теоретиком, если бы в первую очередь не задал себе вопроса: что такое теория?” И далее: “Профану прежде всего бросается в глаза, что теория мало понятна и окружена кучей формул, говорящих недоступным непосвященному языком. Однако эти формулы не являются се существом, и истинный теоретик старается сократить их число до минимума: все, что только можно выразить словами, он и старается сказать словами, тогда как именно в книгах для практиков формулы фигурируют слишком часто исключительно для украшения. ... Я придерживаюсь того мнения, что задача теории заключается в построении существующего только внутри нас изображения внешнего мира, которое должно служить путеводной звездой во всех наших мыслях и экспериментах, т. е. некоторым образом в совершенствовании процесса мышления, в осуществлении в больших масштабах того, что в малых масштабах происходит в нас в процессе образования каждого представления”.