Атомы и статистическая механика

XIX век ознаменовался не только развитием термодинамики и электромагнетизма, но и внедрением атомной теории для объяснения свойств вещества, заключенного в объеме. Начиная с работ Джона Дальтона (1766–1844) на заре XIX века, химики разрабатывали атомную теорию строения вещества, вершиной которой стало появление периодической таблицы химических элементов, предложенной российским химиком Дмитрием Менделеевым (1834–1907). Однако у химиков не было эмпирических оснований отождествлять открытые ими атомы с атомами древних греков, положенными, как говорится в главе 2, в основу ньютоновской механики. Единственной общей чертой химических атомов и частиц древних атомистов была их неделимость (греч. atomos). Их назвали элементами, поскольку химики не могли разделить их на более простые составляющие^{96}.

Тем временем физики оставались приверженцами своей теории частиц. Австрийский физик Людвиг Больцман (1844–1906) наряду с Максвеллом и американским физиком Джозайей Уиллардом Гиббсом (1839–1903) разработали теорию статистической механики, основанную на представлении о том, что вещество состоит из частиц. Все законы термодинамики основаны на предположении, что макроскопическое тело состоит из огромного количества мельчайших частиц, движущихся преимущественно случайным образом, сталкивающихся друг с другом и со стенками окружающего их сосуда согласно законам ньютоновской механики.

Законы термодинамики, таким образом, считаются производными — не фундаментальными принципами природы, но законами, вытекающими из фундаментальных принципов. В самом деле, любые законы, регулирующие работу системы, состоящей из множества частиц, к примеру из области гидродинамики, физики конденсированного состояния, химии, биологии, нейробиологии и даже общественных наук, могут рассматриваться как производные. Даже гравитацию сейчас предлагают рассматривать скорее как производное явление, нежели как фундаментальную силу (см. главу 15).

В рамках статистической механики не делалось попыток описать движение отдельных частиц. Это было бы невозможно. Вместо этого она предсказывала поведение системы частиц в среднем, используя для этого статистические методы. Таким образом, давление на стенку сосуда отождествлялось со средним значением силы, приложенной на единицу площади частицами, сталкивающимися с этой стенкой за единицу времени. Абсолютная температура (в Кельвинах) была определена как средняя кинетическая энергия частиц в равновесной системе.

Статистическая механика отождествляла химические элементы с физическими частицами-атомами. Химические соединения, состоящие из элементов, определялись как молекулы, которые формируются вследствие соединения атомов.

Несмотря на свой успех, атомная теория строения вещества все же подвергалась нападкам со стороны множества влиятельных химиков и философов, в частности Эрнста Маха. Как упоминалось ранее, Мах был позитивистом и считал, что предметом научного исследования могут быть только объекты, доступные чувственному познанию. Он настаивал на том, что не верит в атомы, поскольку не в состоянии их увидеть. Мах придерживался этой позиции до самой смерти в 1916 году, хотя к этому моменту уже имелись неоспоримые косвенные доказательства существования атомов. В наши дни атомы можно увидеть своими глазами с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Дальнейшие доказательства атомарной природы вещества были найдены в серии лабораторных наблюдений, кульминацией которых стал эксперимент 1896 года, поставленный британским физиком Дж. Дж. Томсоном (1856–1940) и его коллегами. Этот эксперимент подтвердил, что лучи, испускаемые катодом в вакуумной трубке, состоят из заряженных частиц намного меньшей массы, чем ион водорода — самый легкий объект из известных на тот момент. Эти частицы были названы электронами, и вскоре выяснилось, что они являются носителями электрического тока. Поскольку они двигались в направлении, противоположном направлению тока, условно названного положительным, заряд электронов был определен как отрицательный. Сегодня электрон все еще считается одной из фундаментальных частиц вещества.