Читать онлайн «Концепции современного естествознания. Шпаргалки». Страница 11

Вывод из теории Клаузиус сделал следующий: 1) энергия мира постоянна; 2) энтропия мира стремится к максимуму.

Свои построения он построил на двух предположениях: 1) Вселенная представляет собой замкнутую систему (то есть она конечна); 2) эволюция системы может быть описана как смена ее состояний.

В наше время теория тепловой смерти Вселенной считается устаревшей, поскольку, по современным воззрениям, Вселенная бесконечна и не может считаться изолированной, а состояние с максимальной энтропией имеет смысл только для конечных систем. Но в то же время все существующие теории исходят из положения, что было некое начало Вселенной, а поскольку существовало начало движения, то существует и его конец, то есть гибель Вселенной или переход ее в новое качество (циклические теории) неизбежны.

Больцман, посвятивший много времени исследованиям больших систем, пытался рассмотреть будущее развитие Вселенной, исходя из теории эволюции Чарльза Дарвина. Больцман был большим поклонником учения Дарвина и взял из дарвиновской теории понятия эволюции и флуктуации. Флуктуацией физической величины называется отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловленное хаотическим тепловым движением частиц системы. В физике флуктуация является фактором нестабильности системы; наличие в ней необратимости процессов разрушает порядок и несет хаос. Флуктуации в термодинамических системах ведут к нарастанию энтропии, расшатывают систему, делают ее неустойчивой, любое незначительное воздействие может привести систему к саморазрушению.

Флуктуации в биологии имели иной смысл. Дарвиновская теория придавала флуктуациям большое значение, поскольку сама эволюция является движением от случайных флуктуаций видов к возрастанию сложности их организации, упорядочиванию, улучшению. Больцман рассматривал Вселенную не только как большую замкнутую изолированную систему, но и как самоорганизующуюся систему, в которой флуктуации не имеют значения, приводящего к хаосу.

Говоря о Вселенной, Больцман подразумевал только ее видимую часть, то есть незначительную область космического пространства. Для этой видимой части он считал допустимыми такие флуктуации, которые выводят систему из состояния равновесия, тем самым предотвращая ее неотвратимое эволюционное движение к хаосу и обещанной Клаузиусом тепловой смерти. Больцман пытался теоретически обосновать возможность такого развития Вселенной, при котором флуктуации могли воздействовать на развитие не как фактор, ведущий к уничтожению, а как фактор, отводящий с пути самоуничтожения.

Для самоорганизующихся систем характерны три этапа развития: равновесие, саморазрушение, новая организация системы. На уровне пути к саморазрушению существует граница, где есть возможность выбора наилучшего пути. Флуктуации Больцмана были теми самыми отклонениями от движения к хаосу и гибели, которые переводили систему в более безопасный режим.

Дальнейшее развитие теория флуктуаций получила в работах Эйнштейна, Смолуховского и легла в основу современной синергетики.

Электромагнитная картина мира начала формироваться в XVIII в. До этого времени человечеству были известны простейшие электрические и магнитные явления: притяжение и отталкивание электрических зарядов (опыты с янтарем в Древней Греции), свойство магнита располагаться в направлении силовых линий магнитного поля Земли, теоретическое предположение Гилберта о том, что Земля является большим магнитом. В XVIII в. было установлено, что одноименные электрические заряды отталкиваются, ученые изобрели электроскоп, Франклин, Ломоносов и Рихман доказали электрическую природу молний и изобрели молниеотвод (громоотвод), а Симмер предположил, что в любом теле содержится равное количество разноименных электрических зарядов, которые перераспределяются при электризации.

К началу XX в. было известно, что сам электрический заряд состоит из множества более мелких зарядов, и открыта первая элементарная частица – отрицательно заряженный электрон. На протяжении XVIII–XIX вв. в ходе экспериментов были открыты основные законы электромагнитных явлений:

– закон сохранения электрического заряда (в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная, а величина заряда не зависит от его скорости);

– закон Кулона и законы Ома (о зависимости силы тока и сопротивления проводника в зависимости от его сечения);

– закон Джоуля – Ленца (о количестве тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за определенное время);

– закон электромагнитной индукции Фарадея (изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению электромагнитной индукции).

В физике на основе исследований Фарадея было введено понятие электростатического поля, открытия Эрстеда доказали связь электричества и магнетизма и выявили особенность устройства магнитного поля – его вихревую природу. В 1820 г. благодаря Амперу в физике появился новый раздел – электродинамика . Примерно в это же время Фарадей высказал идею существования электромагнитных волн и отнес свет к электромагнитным явлениям. В 1865 г. физик Максвелл создал теорию электромагнитного поля.

Фарадей открыл электромагнитное поле, доказал его существование опытным путем, но он не был математиком и не мог привести для открытого им явления математического обоснования. Эту работу выполнил физик и математик Максвелл. Он привел блестящие идеи Фарадея в ясный и четкий математический вид и в своих трудах детально разработал теорию электромагнитного поля. Сутью теории Максвелла была система из четырех уравнений, получивших название уравнений Максвелла . Каждое уравнение соответствовало одному из четырех утверждений:

1. Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона.

2. 2. Магнитные заряды не существуют.

2. Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток.

3. Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями.

Приведенные Максвеллом уравнения доказывали существование электромагнитного поля, объясняли, как формируется электрическое поле на основе вихревого магнитного поля и как электрическое поле, в свою очередь, создает и поддерживает магнитное поле; в силу перехода поле, описанное Максвеллом, было электромагнитным, система мироустройства – электродинамической, а рождающаяся на основе новых открытий и обоснованной теории Максвелла картина мира – электромагнитной картиной мира. На основе своих уравнений Максвелл пришел к мысли о существовании электромагнитных волн, скорость которых должна быть равна скорости света. Вслед за Фарадеем он отнес свет к электромагнитным волнам. К характеристикам электромагнитной волны он отнес ее способность оказывать давление на поставленную перед волной преграду, что позже позволило опытным путем доказать существование этой характеристики. Максвелл предположил, что атом, который физика считала неделимым, состоит из множества элементарных частиц (позже был открыт электрон). Теорию Максвелла принято называть началом конца классической физики. Следом за теорией Максвелла появились электронная теория Лоренца и знаменитая теория относительности Альберта Эйнштейна.

Обоснование Максвелла касалось в основном электромагнитных явлений – Максвелла интересовали сами явления, а не среда, в которой они происходят. Хотя Максвелл высказал предположение о делимости атома на еще более мелкие части, сам структурой материи он не занимался. Физик Лоренц считал это большим упущением, он понимал, что для полноты теории Максвелла к ней необходимо присовокупить дополнения, описывающие микромир. Исследования Лоренца были направлены на изучение структуры вещества, разложении его на мельчайшие составляющие. Лоренц первым высказал предположение о существовании крайне малых электрически заряженных частиц – электронов – которые имеются в любом материальном теле.

Свою точку зрения на структуру вещества Лоренц обнародовал в 1865 г. В своей электронной теории Лоренц использовал теорию Максвелла и общепринятые положения о дискретности электрических зарядов, то есть их атомарную составляющую. Теория Лоренца, не имевшая прежде экспериментального подтверждения, блестяще подтвердилась в 1897 г., когда был обнаружен электрон. На общих основаниях электронной теории Лоренц совместно с физиком Друде создал также электронную теорию металлов , основными положениями которой являются следующие:

1. Свободные электроны (электроны проводимости) образуют в металлах электронный газ.