Гипотезы и заблуждения, о которых должен знать современный человек - Елена Трибис

Однако диффундировать могут не только «подвижные среды» — газы и жидкости, но и твердые вещества, хотя обнаруживается это далеко не так быстро. Для подтверждения сложного строения твердых тел был проведен следующий опыт. Две гладко отшлифованные пластины из золота и свинца были наложены друг на друга под значительным давлением. Спустя 5 лет пластинки исследовались, и обнаружилось то, что и ожидалось, — частицы свинца проникли в золотую пластинку на глубину в 1 см, частицы же золота — на аналогичную глубину в пластину свинца. Таким способом было выявлено, что процесс «обмена составляющими» протекает между твердыми телами вопреки воздействию всемирного тяготения, нарастая по мере увеличения нагрева тел.

Вернемся к непосредственному обсуждению вопроса о теплоте. Конечно, люди научились пользоваться энергией Солнца задолго до того, как появилось само понятие «энергия», добыча огня, обогрев и приготовление с его помощью пищи были известны еще в первобытном обществе. Кем-то впервые было замечено, что добавление в костер разожженного ударом молнии «топлива», коим являлось сухое дерево, увеличивает время горения и интенсивность выделения тепла.

Только во II в. грек Герон попытался впервые применить теплоту сгорания топлива на производство работы. Им был сконструирован первый паровой двигатель, однако столь несовершенный, что остался незамеченным в научных кругах и не использовался в быту. И Леонардо да Винчи, и Ньюкомен, и Папен пытались соорудить более совершенные «тепловые двигатели», однако первая удачная модель паровой машины была создана крестьянином-самоучкой И. И. Ползуновым, но его изобретение, к сожалению, также не получило распространения.

XVII столетие по праву называется веком пара, именно в это время английский физик Д. Уатт создал машину, коренным образом видоизменившую всю промышленность, а также транспорт, как водный, так и сухопутный.

С древнейших времен существовало множество самых невероятных предположений, пытавшихся объяснить природу пара. Одной из самых распространенных точек зрения было представление о невесомом «эфире», или «теплороде», способном перетекать из одного тела в другое и тем самым «передавать» тепло, соответственно, чем больше в теле теплорода, тем оно горячее. Поиски загадочного теплорода не принесли желаемого результата.

Теория теплорода не оправдывала свое существование, поэтому уже Ломоносов предполагал в своей работе «Размышления о причине теплоты и холода», что само понятие теплоты заключено в глубинном строении вещества, а точнее, в движении составляющих тело корпускул. Его идеи вновь получили свое экспериментальное подтверждение лишь столетие спустя, в исследованиях Дэви и Румфорда. Ими было замечено, что при трении двух кусков льда друг о друга в вакууме происходило их таяние. Теплород в любом случае не мог бы перетекать из одного холодного тела в другое, кроме того, поступление его извне было невозможно в условиях вакуума. Английские исследователи предположили, что теплота — это своеобразная форма движения.

Согласно выводам молекулярно-кинетической теории, тепло создается движением молекул и атомов, входящих в состав вещества. Суммарное хаотическое движение мельчайших частиц тела (броуновское движение) и предопределяет запас общей энергии тела, т. е. его тепловой ресурс. Если тело нагрелось, следовательно, увеличилась средняя скорость смещения его составляющих, если же остыло — броуновское движение замедлилось.

Внутренняя энергия в ходе совершения работы расходуется, помимо всего прочего, на преодоление всегда существующего в реальном пространстве трения, поэтому-то и нагреваются механизмы, задействованные в работе, именно поэтому растаял лед в эксперименте Дэви и Румфорда.

Так была установлена природа тепла, после чего понадобилось ввести единую систему определения температуры. Цельсий предложил шкалу, при которой за отправную точку бралась температура таяния льда, верхний же порог — температура кипения воды. Вся шкала делилась на 100 равных частей, каждая из которых являлась градусом Цельсия.

Принцип, положенный в основу работы разного вида термометров, является общим: тела изменяют свой объем при нагревании или охлаждении. В самом распространенном ртутном термометре объем ртути находится в непосредственной связи с температурой (тела или окружающей среды). Нагревающаяся ртуть начинает занимать больший объем, следовательно, смещается на определенное количество делений термометра вверх, при охлаждении же, наоборот, столбик ртути «сползает» вниз.

Были предложены и другие шкалы температур, отличающиеся от шкалы Цельсия лишь ценой делений на термометре. Например, градус по шкале Реомюра составляет 5/4, а градус шкалы Фаренгейта — 5/9 градуса Цельсия. Для дальнейшего объяснения необходимо внести понятие «теплового равновесия» — равномерного распределения тепла между взаимодействующими телами или составными частями одного тела. Для наглядности приведем пример. Для измерения температуры тела с помощью медицинского термометра требуется в среднем 5—10 мин, за это время и происходит выравнивание температуры градусника и тела, если на систему тел не воздействовать извне, она самопроизвольно «уравновешивается».

Различные жидкости, используемые в термометрах, расширяются при одном и том же «разогреве», поэтому возникла потребность создания абсолютной шкалы температур, показания которой не зависели бы от свойств «измерителя». Подобная шкала была создана английским физиком В. Кельвином. В ней непосредственно использовалось представление о том, что температура — это энергия движения частиц, образующих вещество. В ходе экспериментов выяснилось, что газы, заключенные в фиксированный объем термометра, расширяются совсем по-иному, нежели это предполагал Цельсий. В новой шкале фиксируемая температура отражала изменение давления газа, прямо пропорциональное его нагреванию.

Кельвин воспользовался формулой, отражающей закон Шарля (суть которого сводится к тому, что, зная давление газа при 0 градусов Цельсия, можно рассчитать давление и при любой температуре вообще), и получил интересную зависимость. Давление газа изменялось пропорционально абсолютной температуре, которая отличалась от температуры по шкале Цельсия на 273°. Таким образом, Кельвин предположил, что именно температура -273° ниже точки таяния льда является минимально возможной.

Непосредственным доказательством вывода Кельвина являлись следующие заключения. Согласно положениям молекулярно-кинетической теории, температура — показатель суммарной кинетической энергии хаотично движущихся молекул, следовательно, в случае приближения степени охлаждения тела к абсолютному нулю, т. е. к -273,16° С, неуклонно замедляется броуновское движение.

Поскольку полную остановку теплового движения и отсутствие всякой энергии в системе при полной ее изоляции от окружающего пространства обеспечить невозможно (т. к. исходя из принципа теплового равновесия, системе вновь передавалась бы энергия, проще говоря, она бы неуклонно «отогревалась»), то и достижение абсолютного нуля невозможно.

5-й постулат Евклида

Знания основ геометрии стали необходимы человечеству по мере развития хозяйственных отношений, сопровождавшихся разделением земельных угодий и строительством различных сооружений. Зародившаяся как чисто прикладная наука, геометрия постепенно приняла характер системы знаний, опирающейся на логические доказательства, а потому отлично подходившей для тренировки ума. Именно по этой причине древнегреческие мыслители считали обязательным этапом овладения философской мудростью постижение геометрического доказательного метода.

Первая обоснованная глобальная основа геометрических знаний была создана древнегреческим мыслителем Евклидом в III в. до н. э. Его знаменитые «Начала», включавшие 13 книг, стали первым учебным пособием по теоретической геометрии. Основа «Начал» — это 5 недоказуемых постулатов и 8 аксиом, на основании которых Евклид и построил доказательства теорем. Последующие две тысячи лет развития человеческой мысли и постепенной перестройки систем научного знания не поколебали основ, заложенных Евклидом.

Самым спорным в смысле недоказуемости был 5-ый постулат, в котором утверждалось, что через точку на плоскости, лежащую вне прямой на этой плоскости, можно провести только одну прямую, параллельную данной. Собственно говоря, именно этот постулат и определял существование того пространства, в котором «работала» евклидова геометрия. Большинство античных геометров считали этот постулат одной из теорем, «случайно» оказавшейся недоказанной.

«Камнем преткновения» этого постулата было само евклидово определение параллельности прямых, опиравшееся на равенство суммы двух односторонних углов, образованных пересечением двух параллельных прямых третьей, 180 градусам. Первая попытка придать 5-му постулату статус теоремы была предпринята греческим геометром Посидонием, предложившим считать параллельной прямой множество всех точек плоскости, находящихся на равном расстоянии от данной прямой. Однако доказать это утверждение было невозможно, и вместо теоремы получился новый постулат.