Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия

— У вас, говорят, есть пушка, которая стреляет в полдень?

— Да, сэр, есть.

— А выстрел дается около полудня или точно в полдень?

— Точно в полдень, сэр.

— Точно?

— Да, сэр, без сомнения.

— А откуда вы знаете, когда наступает точно полдень?

— О, сэр, будьте уверены, у нас на окраине города живет часовщик. У него очень точные часы и…

Эта притча должна предостеречь вас от чего-то еще худшего, нежели порочный круг, — от порочной спирали. Вы можете счесть, что это предупреждение излишне, но с подобными заблуждениями вы столкнетесь не раз и даже В учебных курсах.

Рассуждения такого рода в нашей книге будут называться «абракадабрами». Да послужит это слово предупреждением. Если вам попадутся такие рассуждения, а их можно встретить почти в любом курсе, то вы имеете право процедить обидное «Абракадабра».

Многие утверждают, что операционный подход душит полет фантазии. Считают, что этот подход сделал бы науку очень правильной, но очень однообразной и затруднил бы прогресс. Макс Борн в своей небольшой книге «Физический эксперимент и физическая теория» говорит: «Название "операционный метод определения" получил… общепринятый среди физиков подход. Он состоит в требовании, чтобы физические величины определялись не путем полного сведения к знакомым понятиям, а набором процедур, необходимых для получения и измерения этой величины. Это здравый подход — своего рода защита от пустословия и словесного фетишизма. Он очень полезен в классической физике, где имеют дело с непосредственно измеряемыми величинами…, однако операционное определение неуместно, если распространить представление о поле на атомные ядра и электроны. В квантовой теории он терпит неудачу».

Например, в химии измерение объема газов — одно из наиболее простых, но важных измерений. Газ — податливая штука. Объем газа, образовавшегося в эксперименте, зависит не только от масс компонент реакции, но и от его давления и температуры. Чтобы вычислить массу газа (воспользовавшись стандартной плотностью) или чтобы сравнить объемы газов, полученных в разных экспериментах, следует сначала Охладить газ (мысленно) до стандартной температуры 0 °C и найти объем, который он занял бы при этом, а затем по закону Бойля привести объем к стандартному давлению.

В большинстве учебников приводится закон Гей-Люссака, который утверждает, что все газы расширяются одинаково и равномерно, а объем их пропорционален абсолютной температуре. Он собирает воедино все экспериментальные факты, которыми мы уже пользовались, а именно все газы приводят к одному и тому же абсолютному нулю —273 °C, если на графике зависимости объема газа от температуры продолжить прямую, проходящую через точки кипения воды и таяния льда до пересечения с осью температуры. Другими словами, при изменении температуры от одной данной точки до другой объем всех газов изменяется в одно и то же число раз. Но закон Гей-Люссака говорит еще, что расширение равномерно. Из наших рассуждений следует, что это имеет двоякий смысл:

1) Газы расширяются равномерно, если температуру измерять ртутным термометром. Это экспериментальный факт, связанный скорее с удачным выбором ртути.

2) Газы расширяются равномерно, если температуру измерять газовым термометром. Тогда это будет необходимым следствием определения газовой шкалы температур. Провозглашений его экспериментальным фактом есть абракадабра.

Закон Гей-Люссака должен включить либо первую, либо вторую точку зрения. Смешивать их непозволительно.

Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы (см. гл. 30 ) позволяет распространить это утверждение и на другие частицы: молекулы и атомы жидкостей и твердых тел. Однако при учете других движений, таких, как колебания (а для атомов в твердом теле это просто необходимо), возникают квантовые ограничения, которые сильно меняют всю картину.

Мы знаем, что температура газового термометра — это мера Кинетической Энергии молекул, но это отнюдь не означает, что подобная температура — «истинная». Она появилась, когда мы выбрали газовую шкалу.

Например, ртуть годится вполне, а вода нет, так как в интервале от 0 до 100 °C она сперва немного сжимается от 0 до 4 °C, а затем сильно расширяется. Водяной термометр давал бы «неоднозначные» показания»

В последнее время были придуманы отрицательные абсолютные температуры. Для обычной термодинамики они остаются бессмыслицей, но приобретают реальной смысл в пограничной области, где электроника встречается с квантовой механикой.

Поток горячего воздуха тоже «машина».

Часто говорят, что мощность — это скорость потребления энергии или скорость снабжения энергией. Строго говоря, энергия никогда не исчезает и никогда не создается из ничего, а только переходит из одной формы в другую. Тем не менее, вспоминая об оплате счетов за электроэнергию, мы, естественно, думаем об одностороннем обмене и говорим о потреблении или о снабжении электроэнергией. Говорят также, что мощность — это «скорость, с которой совершается работа». В нашем курсе работа рассматривается не как форма энергии, а лишь как свидетельство ее превращения. С этой точки зрения слово «совершение», как и слово «потребление», не годится, правильнее было бы говорить « мощность — это скорость работы ».

Конечно, следовало бы единицу мощности назвать «уатт», а не «ватт», но традицию не изменишь. — Прим. перев .

Мощность электрических машин обычно измеряется в ваттах, поэтому большинство считает, что вата — электрическая единица. Это не так. Ватт — единица мощности, применимая к любым машинам и любым превращениям энергии.

Предположите, что справедливо правило:

ПОКАЗАНИЕ ВОЛЬТМЕТРА (в вольтах) ∙ ПОКАЗАНИЕ АМПЕРМЕТРА (в амперах)

дает мощность (в ваттах).

Кажется странным, что мощность можно измерить только этими двумя приборами, без всяких часов. Ведь мощность — это скорость и для ее измерения нужны часы. Однако амперметр сам по себе есть измеритель скорости. В известном смысле в нем заключены часы, ибо он измеряет электрический ток в кулон/сек .

Архимед считал, что он может получить правила рычагов из чистых рассуждений, на основе простых и очевидных аксиом. Но, будучи хорошим экспериментатором, он, несмотря на все теоретическое могущество, по-видимому, тщательно проверял свои правила. Как говорят, он с успехом использовал реальные рычаги и катапульты при защите Александрии.