Значение слова ФИЗИКА в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона

ФИЗИКА

1) Ф. и ее задачи. — 2) Методы Ф. — 3) Гипотезы и теории. — 4) Роль механики и математики в Ф. — 5) Основные гипотезы Ф.; вещество и его строение. — 6) Кинетическая теория вещества. — 7) Действие на расстоянии. — 8) Эфир. — 9) Энергия. — 10) Механические картины, энергетика и феноменология. — 11) Заключение.Содержание различных отделов Ф., историю отдельных вопросов — см. под соответствующими словами.1) Ф. и ее задачи. К группе точных наук, изучающих явления и закономерность в последовательности их, принадлежат две родственные науки химия и физика. Обе эти науки исследуют явления, происходящие с телами природы; но в то время, как химия внимание свое почти исключительно посвящает изучению зависимости явлений от природы вещества, с которым эти явления происходят, и специально изучению тех изменений в веществе, которые этими явлениями вызываются, Ф., наоборот, стремится изучать явления раньше всего независимо от природы тел, участвующих в явлениях, и затем только обращает внимание на те особенности, которые наблюдаются в явлениях, в зависимости от характера тел, участвующих в них. Одно и то же явление может быть объектом исследования и для химии, и для физики; но характерно различны те стороны, с которых эти две родственные науки смотрят на явление. И химия, и физика найдут, напр., в горении куска угля почву для исследования; но химия обратит раньше всего внимание на явление образования из углерода и кислорода новых веществ — окиси углерода и углекислоты, изучит, сколько в этих веществах заключается углерода, сколько кислорода. Иначе взглянет на это явление Ф.; она увидит в горении угля явление нагревания тела, затем явление свечения горящего тела, и раньше всего изучит излучение света и нагревание, независимо от того, нагревается ли уголь или какое-либо другое тело. Каждое явление, рассматриваемое химией, имеет несомненно стороны, изучение которых подлежит Ф., но не наоборот: существуют большие группы разнообразных явлений — как то: явления звука, многие магнитные и электрические явления, — которые всецело принадлежат Ф. Химия не находит в них материала для исследования, так как вещество во многих из этих явлений в составе и строении, по-видимому, не меняется. Эти соображения и привели к обычному определению и разграничению областей деятельности Ф. и химии: химия исследует явления, в которых состав и строение вещества меняются; Ф. посвящена изучению явлений в веществе, не изменяющих его состава. Это обычное определение слишком узко и в то же время слишком резко разграничивает родственные области этих наук. В действительности существует обширная пограничная область, которую с одинаковым правом каждая из этих наук может считать своей, — это область, занимающаяся изучением изменений физических свойств вещества в зависимости от их химического состава. В конце истекшего (XIX) стол. эта область выделилась в отдельную дисциплину — физическую химию, значение которой с каждым днем растет. Нет ничего труднее, как точно определить границы какой-либо науки. В особенности это трудно для Ф., которая по обширности своих задач не имеет, может быть, равной себе среди других наук. Изучая некоторые стороны всех явлений, она неизбежно встречается в различных частях своих не только со всеми науками, занимающимися изучением природы, но и с науками философскими, даже с теорией искусств — художества и музыки. Таким образом, границы ее очертить нельзя и, следовательно, невозможно определить задачи Ф. указанием границ ее. Между тем, есть одна характерная сторона этой науки, которая резко отличает ее от всех других родственных ей наук: это именно методы и приемы исследования, которыми Ф. пользуется.2) Методы Ф. Основой всякого изучения природы является наблюдение, т. е. познавание отдельных явлений в природе через посредство впечатлений, производимых этими явлениями на наши органы чувств. Наблюдая внимательно все явления, мы замечаем, что некоторые характерные особенности явлений повторяются в известной последовательности или проявляются всегда при известной обстановке. Прирожденная человеку пытливость заставляет его ближе изучить эти явления, т. е. подробнее рассмотреть и точнее формулировать условия, при которых эти явления наблюдаются. Можно было бы для этой цели веками копить наблюдения над явлениями, происходящими в природе независимо от воли человека, и из огромного комплекса произведенных таким путем наблюдений черпать знания \[Таким путем идет, напр., и теперь еще метеорология\]. Но явления в том виде, в котором они поддаются нашему наблюдению в круговороте природы, до того сложны, что является делом в высшей степени трудным, часто невозможным, отделить существенные условия, необходимые и достаточные для того, чтобы вызвать рассматриваемое явление. Желая ускорить и облегчить изучение явлений, человек создал новый метод исследования — опыт. Вызывая в опыте искусственно условия, при которых явление происходит, можно искусственно вызвать это явление; меняя условия опыта и изучая вызванные ими изменения в характере явления, наблюдатель может отделить в явлении существенное от случайного, найти те необходимые и достаточные условия, которые явление вызывают, и внимательно изучить детали его. Помещая различные предметы на дно сосуда с водой, наливая эту воду в сосуды различной формы и материала, наблюдатель убеждается, что на величину кажущегося глазу смещения предмета, находящегося под водой, ни характер предмета, ни особенности сосуда не влияют. Заменяя воду другими жидкостями, наблюдатель находит, что у различных жидкостей это смещение будет различным. Исследуя величину смещения при различных положениях глаза относительно поверхности жидкости, наблюдатель приходит, наконец, к убеждению, что все явление это происходит так, как если бы лучи света, исходящие от тела, при переходе из жидкости в воздух внезапно меняли свое направление, увеличивая свой угол наклона к поверхности жидкости; глаз наблюдателя, помещенный над жидкостью, видит тело на пересечении продолжения лучей в новом месте, и потому тело ему кажется смещенным относительно истинного своего положения. Таким образом, изучая при помощи опыта случайное наблюдение, человек открывает новое более общее явление — явление преломления лучей света при переходе из одной среды в другую, и объясняет им свое наблюдение. Пытливость заставляет исследовать вопрос дальше: как происходит преломление лучей при переходе из одной среды в другую? Целым рядом новых опытов наблюдатель убеждается, что лучи, разно наклоненные к поверхности жидкости, разно отклоняются от своего пути; чем больше угол, образуемый лучом с перпендикуляром, восстановленным к поверхности в точке падения луча, тем больше и отклонение ? луча от первоначального направления. Наблюдатель перестает затем довольствоваться найденными им качественными свойствами явления и переходит к количественному исследованию вопроса. Исследуя, напр., явление преломления света, он подвергает измерению углы преломления ?, соответствующие различным углам падения ?, и из сопоставления полученных им численных данных приходит к убеждению, что величины ? и ? связаны друг с другом некоторой определенной зависимостью; он старается найти эту зависимость и сформулировать ее. Математика дает ему огромное количество типов, выражающих разнообразнейшие возможные зависимости двух величин одна от другой; между этими типами зависимостей он ищет ту, которая лучше всего могла бы выразить взаимозависимость между ? и ?. Наконец он находит, что отношение синусов углов ? и ? есть величина постоянная, зависящая от природы жидкости, на границе которой происходит преломление: Sin?/Sin? = n. Таким образом найден численный закон, управляющий явлением. Наблюдатель проверяет его над различными жидкостями, находит его правильным для всех из них; он определяет величину n для различных жидкостей и твердых тел и получает ряд величин (показателей преломления), характеризующих вещество по отношению к прохождению света через него. Численный закон явления представляет могущественнее орудие в руках исследователя. Он прилагает его мысленно к преломлению света через различнейшие, разнообразнейшим образом ограниченные середины, через пластины, призмы и чечевицы, и, пользуясь приемами математики для того, чтобы легче и вернее проследить за сложным ходом лучей, путем дедукции, одним умозрением может прийти к необходимости существования целого ряда новых явлений — схождения лучей в фокусе чечевицы, отклонения луча призмой и т. д. Он проверяет свои теоретические выводы снова на опытах и находит, что они подтверждаются: выросло, таким образом, целое учение о преломлении света. Дружной работой исследователей накопляется в течение многих лет столь огромный комплекс фактов и закономерных зависимостей между явлениями, что необходимым является их классифицировать по группам. В каждой группе объединяются явления и законы, по внешним признакам сходные, и таким образом физику разлагают на отделы — на учение о свете, учение о теплоте, учение о магнитных явлениях и т. д. Группы эти ни резко отграничены, ни стойки: одни и те же явления часто могут быть относимы с одинаковым правом и к одной группе, и к другой; сообразно с духом и направлением науки в данное время целый комплекс явлений причисляется то к одной из них, то к другой.3) Гипотезы и meopuu. Каждый из выделившихся таким образом из общей совокупности знаний по физике отдел представлял бы в необработанном виде лишь хаос более или менее точно описанных явлений, связанных рядом эмпирически найденных, ничем друг с другом не связанных закономерных зависимостей. В таком виде отдел Ф. не представлял бы еще науки; ему недоставала бы путеводная нить, общая идея, которая соединила бы все разрозненное и дала бы возможность рационально вывести все наблюденное из немногих общих положений. В поисках за этой путеводной нитью, человек создает себе ряд искусственных картин того, каким образом весь этот комплекс явлений мог бы быть объяснен какими-нибудь придуманными человеком свойствами вещества. Созданная человеком гипотеза о свойствах вещества, вызывающих данный комплекс явлений, объединяет явления и законы в стройное здание. Но основы этого здания еще шатки; гипотезу необходимо проверить — и создатель гипотезы и его последователи стараются извлечь из гипотезы путем логических умозаключений необходимость возможно большого числа новых явлений, новых связей между старыми явлениями. Опыт либо подтверждает их заключения — предсказания гипотезы, либо противоречит им. В первом случае гипотеза крепнет, становится на твердую почву, право ее на существование становится временно неоспоримым; во втором случае гипотеза, не выдержавшая очной ставки с опытом, гибнет, исчезает, уступая свое место какой-либо другой, более жизнеспособной. С течением времени количество исследованных явлений и познанных законов растет, и гипотеза, чтобы удержать свое положение в науке, должна удовлетворить всем явлениям, всем законам; один какой-либо факт, сам по себе, может быть, второстепенный, еле заметный, но резко противоречащий господствующей в настоящее время гипотезе, может заставить изменить ее, а не то и низвергнуть. Зато, если гипотеза хорошо выдержала все поставленные ей искусы, она плотно внедряется в науку и становится незыблемой частью ее. Какие представления кладутся в основу гипотез? Единственное непосредственно постигаемое человеком есть вещество, единственное явление в веществе, не вызывающее в нем сомнений по природе своей, есть движение вещества. Поэтому в основании гипотезы мы видим обыкновенно предположение об особенном виде движения известного нам вещества или предположение о существовании особенного вещества, бывшего нами доселе незамеченным и движения в котором вызывают объясняемые гипотезой явления. Таковы старые и новые гипотезы о причине явлений тепловых и световых, магнитных и электрических; в основе всех лежит существующее или специально для того придуманное вещество; движения в этом веществе или возбужденные движением упругие изменения в веществе вызывают, по нашим представлениям, явления, объясняемые гипотезой. История Ф. показывает нам, что возможно одновременное появление нескольких гипотез, одинаково удачно объясняющих какой-либо комплекс явлений. Следует отдать предпочтение, очевидно, той из них, которая 1) проще других, т. е. основывается на более общих свойствах вещества, и 2) которая обнимает наиболее обширный комплекс явлений. В начале XIX в. имелось столько же отдельных гипотез, сколько было отдельных физических агентов; были гипотетические вещества — теплород, вызывавший явления тепла, электрические и магнитные жидкости, присутствие которых вызывало явления электрические и магнитные. Ни одна из этих гипотез не оказалась жизнеспособной, и все они в настоящее время исчезли, вытесненные двумя основными гипотезами о молекулярном движении вещества (явления тепловые) и о существовании упругих натяжений и сжатий (явления электрические и магнитные) и волнообразных движений (явления света и некоторые электромагнитные явления) в гипотетическом веществе эфире. Эти две новые основные гипотезы победили лишь потому, что они проще и, главным образом, значительно общнее старых. Человек не может удовольствоваться знанием точных закономерных зависимостей между явлениями, не делая попыток объяснять связь между явлениями. Гипотеза в Ф. необходима, потому что окрыляет ум, дает ему возможность одним взором охватить мысленно целый, иногда огромный, комплекс фактов; давая уму путеводную нить в классификации явлений, она является в то же время могущественнейшим мнемоническим средством. Но даже не во всем этом заключается главная научная ценность гипотез, а в том, что они дозволяют предсказывать явления, быть может, еще не наблюденные. Стремление проверить на опыте следствие, чисто логическими умозаключениями выведенное из гипотезы, является наиболее частым и наиболее могущественным стимулом к научной работе. "Предвзятая мысль или гипотеза есть необходимая точка исхода всякого опытного исследования; без нее немыслимо открыть что-либо новое", — говорит Клод Бернар. Современный физик мыслью своей живет, таким образом, в особом воображаемом, созданном им же гипотетическом мире и привыкает мало-помалу видеть явления лишь в им же искусственно созданном освещении. Естественно, что гипотезы, лежащие в основе его науки, приобретают для него мало-помалу характер реального бытия и сама наука становится мало-помалу лишь наполовину опытной, наполовину же является изучением логических дедукций из опытно найденных законов и из гипотез.4) Роль механики и математики в физике. При выводе логических дедукций из опытно найденных законов могущественным орудием физики является математика. Всякая закономерная связь между факторами, определяющими явление, может считаться только тогда точно известной, когда допускает математическую формулировку закона взаимозависимости факторов. Раз такой закон известен, Ф. пытается возможно использовать его, применяя закон к решению множества вопросов, возникающих при рассмотрении сложных явлений, в основе которых лежит явление более простое (часто даже просто схема явления), характеризуемое найденным законом. В этих применениях физик и принужден прибегнуть к математике, дающей часто возможность чисто механическим путем прийти к результату, вывод которого путем одного размышления потребовал бы необыкновенной работы ума, а в большинстве случаев был бы даже немыслим. Математика не может дать ничего такого, что бы в скрытом виде не хранилось уже в положенном в основание математического анализа законе; но зато она дает нам возможность 1) охватить сразу явление такой сложности, что сделать выводы из него путем одного размышления не под силу человеческому уму; 2) прийти к окончательному выводу, не останавливаясь на промежуточных ступенях и посылках, внимательное рассмотрение каждой из которых необходимо входило бы в решение того же вопроса чисто умозрительным путем. Математикой, как всяким орудием, можно пользоваться более или менее умело. История Ф. указывает нам на наиболее блестящих страницах своих на выдающихся физиков-математиков, которые, искусно пользуясь всем арсеналом современной им математики, из нескольких простых законов умели выводить наиболее далекие, наиболее неожиданные заключения; назовем в качестве примера только Фурье — создателя всей теории теплопроводности. Но "истинный дух Ф. должен неустанно направлять рациональное употребление этого могущественного орудия" (Ог. Конт), и в истории Ф. имеются удивительные примеры того, как бесплодны могут быть для Ф. остроумнейшие работы великих математиков, если этот "истинный дух Ф." не руководил ими. Нельзя ставить математике в вину несогласие некоторых выводов ее с результатами опыта; всегда в таких случаях основные опытные законы, положенные в основание выводов, оказываются либо лишь приближенно верными, либо неполными. Наоборот, несогласие это часто указывало на неточность выведенных из опыта законов, и тем самым заставляло пересматривать, переоценивать добытые результаты, проверять их при помощи новых опытов, и тем самым способствовало развитию науки. Другое, еще более важное поле применения математики в Ф. — это применение ее к исследованию гипотез. Мы видели выше, какую важную роль играет гипотеза в развитии Ф.; гипотеза о причине какого-либо комплекса явлений основывается почти всегда, как мы видели, на предположении об особом характере движения какого-либо реального или гипотетического вещества. Если, исходя из подобной гипотезы, мы пожелаем прийти к каким-либо частным выводам относительно характера явления при наличности каких-либо особых условий, то по необходимости должны будем исследовать частный случай той или другой формы движения вещества. Наука, исследующая движение вещества, есть механика, и к ней мы должны будем прибегнуть, чтобы поставить нашу задачу и чтобы решить ее. Механика, в свою очередь, представляет лишь свод математическим анализом найденных наиболее общих зависимостей между факторами, определяющими движение вещества, причем исходной основой для применения анализа послужило опять небольшое число чисто эмпирическим путем найденных законов. Таким образом, и исследование гипотезы путем вывода из нее следствий, допускающих опытную прямую или косвенную поверку, сводится в конце концов к применению математического анализа. В этой области применения математика еще более плодотворна, чем в той, о которой мы упоминали выше; напомним только классические труды Френеля, Юнга по разработке эфирной теории света, и работы Масквелля и других последователей Фарадеевой теории электрических и магнитных явлений. Если мы будем рассматривать и излагать всю систему Ф. единственно как ряд математических дедукций из гипотез об основных причинах явлений, то Ф. сведется в главных чертах лишь к решению ряда более или менее сложных математических задач; так, рассматриваемое учение о физических явлениях называют обыкновенно математической Ф. в отличие от Ф. экспериментальной (опытной, вернее, феноменологической), рассматривающей явления и взаимозависимость между ними сами по себе, не останавливаясь на вопросе о том, могут ли эти явления и связующие их законы быть выведены как необходимые следствия из какой-либо механической картины. Очевидно, что гармоничное и успешное совершенствование Ф. возможно лишь при параллельном движении ее вперед по обеим указанным дорогам.5) Основные гипотезы Ф. Вещество и его строение. Убеждение в том, что в основании всех явлений природы лежит та или иная форма движения вещества, установилась в науке очень давно. Уже Декарт говорит: "Omnis materiae variatio sive omnium ejus formarum diversitas pendet a motu" ("все разновидности вещества и все разнообразие форм его проистекает от движения"). Гюйгенс решительно высказывается за необходимость такого представления о природе явлений: "истинная философия должна видеть в явлениях механических первопричину всех явлений; по моему мнению, иное представление и невозможно, если мы только не желаем потерять надежду что-либо понимать в Ф." ("Tractatus de Lumine"). Великие ученые нашего времени не менее настойчиво указывали на необходимость такого именно научного миросозерцания и видели "высшую цель, к которой должно стремиться естествознание... в сведении всех явлений природы на механику" (Кирхгоф, 1865). Почти в тех же словах выражается и Гельмгольц: "Конечной целью всех естественных наук является разыскание движений, лежащих в основе всех изменений, и причин, производящих эти движения, т. е. слияние этих наук с механикой". Свойство вещества, наиболее непосредственно бросающееся в глаза, есть его делимость; границ делимости мы ни одним механическим процессом деления достигнуть не можем. При наличности этого свойства вещества мы можем предположить либо 1) что вещество действительно делимо до бесконечности, если не на опыте, то мысленно, и, следовательно, представляет собой нечто непрерывное (continuum); либо 2) что при мысленном делении вещества мы наконец придем к частям его, которые представляются отдельными неразрушаемыми индивидуумами, из более или менее сложного агрегата которых и построено вещество. И то, и другое предположение не могут непосредственно подвергнуться опытной поверке. Первая гипотеза заманчива по своей простоте, но она должна была бы быть загромождена целым рядом новых дополнительных гипотез, чтобы объяснить явления химические — соединение нескольких тел в одно новое, разложения тел на ряд новых. Остается, таким образом, предположение о веществе, построенном из индивидуумов (атомов). На атомистической гипотезе о строении вещества выросла и окрепла современная химия. От химии атомистическую гипотезу унаследовала Ф.; в последней она тоже твердо установилась, несмотря на то, что в Ф. эта гипотеза казалась менее необходимой, чем в химии; истинную пользу от принятия атомистической гипотезы Ф. получила значительно позже, когда представление об атомах было уже общепризнанной основой науки и в Ф. В настоящее время атомистическая гипотеза составляет общее достояние всех естественных наук; признание всеми этой гипотезы объясняется (Менделеев), вероятно, естественным стремлением человека приписать то же самое строение микрокосму — веществу, какое он наблюдает в макрокосме — мире планет. В настоящее время никто не предполагает в атоме чего-либо действительно физически неделимого (каков был атом древних), и понимают под атомом наименьший вещественный индивидуум, который еще обладает всеми свойствами, присущими данному веществу. Таков атом, из которого построены тела химически простые; тела химически сложные представляют агрегаты сложных атомных комплексов — химических молекул, причем в каждой молекуле содержатся атомы всех простых веществ, входящих в состав данного химически сложного вещества. В таком веществе "атомом" в том смысле, какой был придан этому слову выше, явится молекула, так как разрушение молекулы и разложение ее на части влечет за собой переход химически сложного вещества в ряд новых — в отдельные вещества, его составляющие. Целый ряд фактов химии и Ф. требует, затем, для объяснения своего, предположения о том, что 1) химически простые тела состоят из более или менее сложных комплексов отдельных одинаковых атомов, сплоченных вместе; в зависимости от сложности комплекса данное тело представляется в одном или другом из возможных ему видов. 2) В химически сложных веществах, состоящих из молекул, строение молекул, состоящих из одного и того же числа одинаково подобранных атомов простых тел, может быть неодинаково; неодинаковость эта может вызвать различия в физических (и даже химических) свойствах веществ, которые в смысле состава их молекул абсолютно одинаковы. Затем и молекулы химически сложных тел могут существовать в теле не только в отдельности, но и в виде комплексов из нескольких связанных вместе молекул; различная сложность комплексов может объяснить различные физические свойства веществ, молекулы которых во всех отношениях одинаково построены. Все эти предположения о возможной сложности первоначальных элементов, из которых построено вещество, не произвольны, но прямо необходимы в атомистической гипотезе для объяснения явлений аллотропии, изомерии и полимерии (см. Химия), т. е. различных физических свойств веществ, химический состав которых одинаков. Молекулы в химически сложных веществах и атомы в веществах химически простых не касаются друг друга. Только в этом предположении возможно объяснение перехода тел из одного состояния в другое, из газообразного в жидкое и из последнего в твердое, а также объяснение упругости тел. Атомистическая гипотеза предполагает, что молекулы газа находятся на расстояниях друг от друга, которые огромны сравнительно с размерами самих молекул; в жидких телах расстояния между молекулами значительно меньше; меньше всего они в твердых телах. Уменьшение объема тела при увеличении давления, испытываемого телом, есть следствие сближения молекул: в газах изменение объема при данном увеличении давления весьма значительно, в жидкостях много меньше, в твердых телах наименьшее. Подробнее о размерах молекул и расстояния между ними см. соотв. ст. Между молекулами действуют силы, подобные силам тяготения между телами. Представление об этих силах необходимо для объяснения связи (сцепление) между частицами в твердых и жидких телах и для объяснения явлений поверхностного натяжения жидкостей. Силы эти принадлежат к так называемым центральным силам, т. е. величина силы, действующей между двумя данными молекулами, зависит исключительно от расстояния между последними. Это — силы притяжения между молекулами, быстро убывающие по мере возрастания расстояния между ними. Вопрос о том, согласно какому закону происходит убывание сил взаимодействия между молекулами при изменении расстояния между ними, является до сих пор нерешенным. Некоторые толкователи атомистической гипотезы считали, кроме того, необходимым признать между молекулами существование двух систем сил — одной притягательной, другой отталкивательной, сил, закон убывания которых с увеличением расстояния неодинаков. По мере удаления молекул друг от друга величина сил, действующих между ними, быстро убывает. На некотором расстоянии между молекулами взаимное действие их будет столь незначительно, что какая-либо внешняя, ничтожная по величине причина (напр. сила тяжести) может нарушить связь между молекулами и разъединить их; это расстояние называют "радиусом сферы действия молекулярных сил". Понятно, что столь неопределенное представление, как сфера действия молекулярных сил, не может дать точки опоры для численного определения радиуса этой сферы. Все высказанные различными исследователями мнения по этому вопросу сводятся к тому, что в твердых телах радиус сферы действия в несколько раз больше расстояния между молекулами; в жидких телах радиус сферы действия каждой молекулы лишь немного меньше расстояния ее от соседних молекул; в газах каждая молекула находится далеко вне сфер действия всех остальных молекул. Молекулы вещества твердого, жидкого и газообразного находятся в непрерывном движении. Движение молекул в твердых и жидких телах должно быть весьма сложным и непостоянным как по виду пути, так и по скорости частиц, так как каждая молекула, находясь в сфере действия соседних, должна изменять свое движение под влиянием сил, исходящих от соседних частиц. В газах движение должно быть по характеру проще; каждая молекула, вполне свободная, должна двигаться прямолинейно и с постоянной скоростью. Как в жидком, так и в твердом теле, и в газе молекулы должны испытывать столкновения с соседними; в твердых и жидких телах эти столкновения являются лишь моментом, усложняющим и без того в высшей степени сложное движение частиц; в газах столкновение молекул является единственной причиной, изменяющей прямолинейное и равномерное движение частиц и превращающее это движение в хаотическое движение с постоянно меняющимся направлением у каждой молекулы. Каждая молекула вещества, обладая определенной массой и некоторой скоростью, является носительницей некоторого запаса кинетической энергии; тело — совокупность молекул — обладает совокупностью этих запасов энергии. Мы не замечаем движения молекул в теле, и следовательно, для нас энергия тела, вызванная скрытым движением молекул в нем, должна представляться не энергией движения (кинетической) молекул, а каким-то видом потенциальной энергии самого тела. Еще одно в высшей степени важное следствие тотчас вытекает из вышесказанного — а именно необходимость приписать молекуле и атому абсолютную упругость. Действительно, механика учит, что лишь при столкновении абсолютно упругих тел энергия движения их не превращается в другие виды энергии; при ударе тела неупругого или неабсолютно упругого часть движения его исчезает, и после большого ряда ударов скорость тела может сделаться равной нулю. Атомистическая гипотеза является одним из наиболее крепких устоев нашего научного здания. Несмотря на это, нельзя закрыть глаза на те внутренние противоречия, которые при современном представлении об атомах кроются в самых основах ее и на которые неоднократно указывали мыслители. Раньше всего, атомы не могут быть качественно различны; являясь единственным субстратом движения в мире, в котором все видимое разнообразие есть лишь разнообразие движения вещества, атомы должны быть вполне лишены качеств (Вундт, Спенсер, Сталло). Отсюда необходимо прийти к заключению, что первообразный атом (Uratom) должен быть один, что те индивидуумы, которые химия называет атомами, представляют сложные комплексы первообразных атомов и что от большей или меньшей сложности этих комплексов зависят качественные различия атомов химии. Еще не забыта гипотеза Прута (Prout), согласно которой первообразным атомом являлся атом водорода; гипотеза эта оставлена, и для оставления ее имелись веские доводы. Вопрос о первообразном атоме после оставления гипотезы Прута временно сошел со сцены, и лишь в самое последнее время интерес к "первообразному атому" снова возник, и поводом к этому послужили некоторые последние успехи физики. Исследуя явления прохождения электрического разряда через газы, Ленард, Дж. Томсон, Кениг и др. пришли к ряду наблюдений, которые с точки зрения атомистической теории не могут быть объяснены иначе, как предположением о существовании частиц вещества в тысячи раз меньших, чем химический атом водорода; интересно, что некоторые исследования над излучением света привели Лоренца и Зеемана к необходимости совершенно тех же предположений. Эти частицы, несущие (как показало численное исследование опытов) огромные электрические заряды, может быть, явятся для науки будущего теми первичными атомами, из которых построены атомы химии. Другим слабым местом атомистической гипотезы является упругость атома. Упругость как свойство вещества, состоящего из атомов, должна сама объясняться атомистическим строением вещества. Понятно, что если мы примем, что атом химии и теории газов состоит из комплекса первичных атомов, то абсолютную неупругость следует приписать первичному атому, сложный же химический атом может быть и упругим.6) Кинетическая теория вещества. Движением атомов и молекул с давних пор уже пытались объяснить тепловые явления. Параллельно с развитием этого несомненно существовавшего общего убеждения в механической природе тепла шло чисто опытным путем развитие вещественной теории тепла, видевшей причину тепловых явлений в особом веществе, "теплороде". Представления теории вещественного теплорода были столь просты и изящны, язык ее столь удобен был для описания явлений, что не было пока никаких причин оставлять ее и заменять заманчивой, но неопределенной механической теорией. Убеждение в механической природе тепла еще более укоренилось, когда Майер, Джоуль и другие показали, что теплота может исчезнуть, превратившись в механическую работу, что, наоборот, исчезнувшая механическая работа может дать тепло и что между количествами исчезнувшей работы и возникшего тепла существует постоянное отношение. Но никто из них не решался точнее характеризовать движение молекул в теле и привести его в непосредственную числовую связь с тепловыми свойствами тел. Заслуга эта принадлежит Клаузиусу (1857), который для случая газообразного состояния вещества дал наглядную и полную картину движения молекул; Клаузиус исследовал это движение и вывел из него как необходимость характерные свойства газов; он предсказал на основании своей теории ряд числовых зависимостей между свойствами газов — зависимостей, которые впоследствии нашли блестящее подтверждение. Таким образом Клаузиус положил основание одному из замечательнейших отделов физики — кинетической теории газов (от греческого слова ??????? — движение), а вместе с тем утвердил и кинетическую теорию вещества. Согласно кинетической теории, всякий объем газа состоит из множества абсолютно упругих молекул, несущихся в полном хаотическом беспорядке по различным направлениям и с различными скоростями. Расстояния между отдельными молекулами вообще на столько больше радиусов сфер действия их, что молекулы газа необходимо признать в механическом отношении совершенно свободными. Двигаясь под влиянием одной инерции, молекула несется с равномерной скоростью по прямой линии, пока не встретится с соседней, тоже движущейся, молекулой или с каким-либо препятствием (стенкой сосуда, напр.). При встрече с соседней молекулой или препятствием данная молекула отражается от них, как отражается абсолютно упругий шар от другого шара или от стенки. Скорости различных молекул весьма различны, и скорость одной и той же молекулы должна непрерывно меняться вследствие столкновения с другими. Длины путей молекул от одного столкновения до другого весьма разнообразны, направления этих путей могут быть всевозможные и тоже вследствие столкновений непрерывно меняются. Такое движение есть движение вполне беспорядочное; все направления движения в нем равновозможны. Скорости движения молекул весьма различны; можно поэтому говорить лишь о средней скорости их, причем средней скоростью называют ту скорость, которую должны были бы иметь все молекулы для того, чтобы полная энергия движения в данном объеме газа была та же самая, что и при данном неизвестном сложном распределении скоростей. Эта средняя скорость, как учит кинетическая теория газов, тем больше, чем выше температура газа и чем плотность газа меньше. Длины путей молекул между двумя столкновениями могут быть весьма различны; мы можем поэтому говорить только о средних длинах путей. Эта средняя длина пути тем меньше, чем больше упругость или плотность газа; действительно, в сжатом газе число столкновений должно быть больше, а, следов., средняя длина пути должна быть меньше. Кинетическая теория газов (см.) дает даже возможность рассчитать как среднюю скорость движения молекул в газе, так и среднюю длину пути и число столкновений в секунду. Некоторый объем газа, представляя комплекс движущихся молекул, обладает известным запасом кинетической энергии. Так как средняя скорость молекул с понижением температуры уменьшается, то уменьшается и запас энергии газа. Кинетическая теория газов отождествляет ее с запасом тепловой энергии газа; согласно этой теории, тепло есть не что иное, как движение молекул, температура — некоторая характеристика теплового состояния, пропорциональная квадрату средней скорости их. При понижении температуры средняя скорость молекул уменьшается; законным является вопрос: возможна ли температура, при которой скорость молекул сделается равной нулю? До настоящего времени такая температура не получена и нет никаких данных для предположения, что она когда-либо достигнута будет. При весьма сильном охлаждении все без исключения известные нам газы переходят в жидкое и затем твердое состояние; к этим состояниям пока еще рискованно прилагать выводы кинетической теории газов. Однако такая температура мыслима; ее называют абсолютным нулем температуры. Закон, связующий среднюю скорость газовых частиц с температурой, и закон расширения газов дают нам возможность приблизительно определить, при какой температуре по шкале Цельсия должен был бы лежать абсолютный нуль; если бы мы вправе были прилагать эти законы к столь значительным температурным интервалам, мы нашли бы таким путем температуру в —273° Ц. Понятно, что никакого реального значения это число иметь не может: оно дает нам только новую исходную точку для счета температур, а следовательно, и новую (абсолютную) температурную шкалу, градус которой равен градусу шкалы Цельсия, а нуль — лежит на 273° Ц. ниже температуры таяния льда и которая является в высшей степени удобной при трактовании многих вопросов теории газов, жидкостей и твердых тел.В начале 1870-х годов кинетическая теория двинулась на значительный шаг вперед: Ван дер Ваальсу удалось распространить ее и на газы, близкие к насыщению (пары), и на явления перехода паров в жидкость. Опытные факты, доказывавшие, что между жидким и газообразным состоянием нет резкой границы и что возможны переходные состояния, в которых мы вещество с одинаковым правом можем назвать и жидкостью, и паром, были известны и до Ван дер Ваальса; но лишь работы этого ученого дали нам более или менее ясную картину состояния вещества в переходных ступенях его от жидкости к газу и обратно. Несомненно, что и в жидкости существует молекулярное движение и что запас тепловой энергии жидкости есть запас кинетической энергии движущихся молекул ее. Кинетическая картина жидкостей настолько сложна, что не поддалась еще аналитическому исследованию, и в науке нет еще кинетической теории жидкости. Но в самом движении молекул жидкости сомнения быть не может; явления диффузии — медленного проникновения одной жидкости в другую, соприкасающуюся с ней, явление испарения с поверхности жидкости не могут быть объяснены иначе, как с точки зрения кинетической теории. Еще сложнее должны быть формы движения молекул в твердом теле. Связанные прочными молекулярными связями частицы твердого тела, вероятно, лишь колеблются по сложным кривым вокруг некоторых положений равновесия и, вероятно, лишь в высшей степени медленно перемещаются от одного места твердого тела к другому. Мы должны все же признать возможность такого, хотя и медленного, перемещения молекул и у твердого тела, так как недавние опыты Спринга несомненно доказали существование диффузии одного твердого тела в другое, с ним соприкасающееся.7) Действие на расстоянии. Земля притягивает гирю, магнит притягивает или отталкивает другой магнит, наэлектризованное тело заставляет двигаться другое, тоже наэлектризованное тело. Все это — явления, в которых, по-видимому, существует непосредственное действие тела А на тело В через расстояние, отделяющее их. С давних пор люди пытались объяснить эти явления, т. е. свести их к другим, более понятным; это одно стремление указывает уже, что принцип действия на расстоянии не может быть постигнут умом и является принципом, противным всему воззрению человека на природу. Действительно, в основе всех явлений, по нашим представлениям, должно лежать вещество и движение; движение без вещества немыслимо, и вещество является необходимым субстратом движения; поэтому если мы наблюдаем передачу движения от тела А к телу В, то эта передача могла произойти лишь как следствие непосредственного соприкосновения с В какого-либо вещества (среды), соприкасающегося и с А, и образующего между А и В вещественный мост, по которому может произойти передача движения. Но если таковой среды нет, если явления, как, напр., магнитные действия, происходят и в воздухе, и в пустоте, тогда приходится придумывать специальную среду, невидимую и неосязаемую, пронизывающую и воздух, и пустоту и служащую передатчиком силы. Ко времени Ньютона каждая группа явлений, приводившая к кажущемуся действию на расстоянии, одарена была своей средой, своим невидимым, всепроницающим "флюидом"; все эти флюиды не имели другого обоснования, как стремление к объяснению всякого явления непосредственной передачей движения от тела к телу. Явился Ньютон и смело взялся за исследование наиболее загадочного из всех кажущихся действий на расстоянии — явления тяготения. Сила тяготения для Ньютона лишь математическое представление; явления происходят так, как если бы существовало действие на расстоянии, и он поэтому смело прилагает математический анализ к исследованию этого действия. Что такое тяготение — это его, по-видимому, не заботит: "причин этих свойств тяготения я не мог найти, а гипотез я не придумываю". Несомненно, однако, что Ньютон не был сторонником "actio in distans" — как его выставляли его современники, — это доказывают его письма, но он прозрел гением своим единственный путь, который мог в те времена полезно оживить науку, — путь формального исследования явлений, внутренняя причина которых от нас скрыта. Этим путем шла Ф. целые два столетия после Ньютона, этим путем добыто большинство наших познаний в Ф., и введение этого пути, может быть, наибольшая заслуга Ньютона. Современники Ньютона горячо восстали против веры в действие на расстоянии, будто бы исповедуемой Ньютоном. Они не поняли, что у Ньютона "actio in distans" есть только метод исследования, но не более; Гюйгенс, Лейбниц, Бернулли метали громы негодования на эту "невещественную и необъяснимую силу" тяготения. Годы, однако, про

Брокгауз и Ефрон. Брокгауз и Евфрон, энциклопедический словарь. 2012