Энергия и атомы

Одним из самых больших достижений физики XIX столетия было осознание того, что, если рассматривать материю как вещество, состоящее из атомов, то все законы термодинамики могут быть поняты, исходя из того, что теплота — это ничто иное, как энергия движущихся атомов.

Вообразим (см. рис. 5 - 3), столкновение двух пластилиновых шаров одинаковой массы, движущихся навстречу друг к другу с одинаковыми скоростями. После столкновения они слипнутся и остановятся. Если не рассматривать внутреннюю структуру шаров, то мы видим, что полный импульс системы сохраняется, а вот энергия движения теряется! Заметим, что в механике закон сохранения импульса, независимо от того уровня, на котором рассматривается система, выполняется без всяких ограничений. Если же мы будем исследовать вещи на более глубоком уровне, то обнаружим, что энергия движения шаров перешла в движение атомов, из которых состоят пластилиновые шары. Это может быть замечено по увеличению температуры шаров, поскольку температура – это ни что иное как мера средней кинетической энергии (это будет показано в Главе13). Движение атомов является сложным, хаотическим и случайным. Нет никакого способа полностью обратить процесс столкновения, то есть заставить все атомы пластилинового шара двигаться в одном направлении, и, тем самым, восстановить первоначальную энергию шара.

Если мы переходим из макроскопического мира шаров к микроскопическому миру их атомов, то закон сохранения энергии сохраняет в некоторой степени свой механический характер. Так, например, химическая энергия может рассматриваться как потенциальная энергия тех сил, которые связывают атомы вещества воедино. Это вело к надежде, что все природные явления, если разобраться в их микроскопических деталях, допускают механическую интерпретацию. Единственными истинными формами энергии в этом случае оказались бы кинетическая и потенциальная.

Рассмотренный пример столкновения пластилиновых шаров демонстрирует и другое преимущество концепции “энергия”. С точки зрения одного только закона сохранения импульса нет никакого различия между шарами до и после столкновения, или же между упругим соударением и неупругим. Закон сохранения энергии, однако, позволяет сделать такое различие, так как энергия — это мера движения, не зависящая от направления движения. Действительно, законы упругого соударения получены из предположения, что одновременно выполняются законы сохранения и импульса и энергии. Совместное применение этих законов позволяет дать более полное описание движения объектов.

Можно теперь более подробно проанализировать примеры столкновений, рассмотренных в Главе 2. с точки зрения закона сохранения энергии. В первом примере, где шары слипаются, часть кинетической энергии идёт на повышение температуры. При упругом соударении кинетическая энергия сохраняется неизменной. Третий пример показывает, что существенное количество энергии было преобразовано в кинетическую форму в момент столкновения. (Возможно к одному из шаров был прикреплен взрывчатый патрон!)

Звёзды, планеты и жизнь

Если введенное выше понятие потенциальной энергии, которая всегда оказывается отрицательной, кажется Вам “неэстетичным”, то обратите внимание, что именно знак “минус” отражает процесс создания связанной пары объектов. Если мы попытаемся “построить” Cолнечную систему, состоящую из Земли и Солнца, находящихся на отдаленном расстоянии от друг друга, то для того чтобы поместить Землю на её жёстко определённую орбиту, мы должны “вынуть” энергию из системы. В противном случае Земля свободно возвратилась бы к своему удаленному от Солнца местоположению. Вполне разумно рассматривать объекты, настолько удаленные друг от друга, что они не проявляют никаких сил взаимодействия, как обладающие нулевой энергией. Если энергия “вынута”, чтобы связать объекты, то вполне разумно рассматривать это как наличие отрицательной энергии. Когда мы приступим к изучению теории относительности, то мы увидим, что эта отрицательная энергия имеет вполне конкретное проявление — дефект массы.

Этот подход является основанием для весьма популярной теории того, как были сформированы звезды и планетарные системы. Всё начиналось с огромного, разбросанного облака прохладного газа. Облако сжималось к своему центру под действием гравитации, потенциальная энергия при этом преобразовывалось в движение молекул, то есть в теплоту. В некоторых точках температура становилась настолько высокой, что зажигались термоядерные реакции. Так рождались звёзды.

Что касается образования планет, то предположим, что облако изначально очень медленно вращается. На больших расстояниях скорости этого вращения очень маленькие, но при сжатии облака, скорости увеличиваются — подобно тому как увеличивается скорость вращения танцовщика или фигуриста, когда он прижимает к корпусу ранее вытянутые в стороны руки. К тому времени, когда облако достигает сравнительно небольших размеров звезды, его вращение может оказаться слишком быстрым для того, чтобы позволить дальнейшее сжатие. Часть облака отрывается[7], и никогда не достигнет его центра. В результате “брызги” превращаются в объекты, у которого слишком мало потенциальной энергии для того, чтобы достигнуть термоядерных температур. Так формируются прохладные планеты. Тот факт, что все планеты Солнечной системы, да и само Солнце, вращаются в одном и том же направлении, подтверждает эти рассуждения.

Даже после того, как человечество достойно приняло удар по своей гордости, признав, что Земля не является центром Вселенной, возникла надежда, что Солнечная система является уникальным результатом некоторого катастрофического космического происшествия. Но всё же сегодня кажется намного более вероятным, что планеты — это правило, а не исключение. Среди бесчисленных звезд и галактик звезд, должны быть многочисленные планеты столь же гостеприимные к жизни, как наша. Было бы глупо предполагать, что жизнь ограничена нашим уголком Вселенной и что тайна сознания дана нам одним.