PDA-0018 (Философские взгляды Больцмана в свете полемики по проблемам физики кон. ХIХ - нач. ХХ веков)

Тверской государственный университет

РЕФЕРАТ ПО ПРЕДМЕТУ

"ИСТОРИЯ ФИЗИКИ"

Тема: "Философские взгляды Больцмана в свете полемики по проблемам физики кон. ХIХ – нач. ХХ веков"

Выполнили студенты

физико-технического факультета

5-го курса

Соловьева О.И.

Краснова И.С.

Тверь, 1999 г.

Больцман, безусловно, является самым великим из мыслителей Австрии и может быть поставлен в один ряд с Ньютоном, Максвеллом и Эйнштейном. Как физик он, как никто другой, проложил дорогу для атомистики. Его труды повлияли на развитие не только физики и химии, но и биологии XX столетия.

Ставшие классическими исследования Больцмана в области молекулярно-кинетической теории, статистической механики, теории излучения настолько проникли в основные представления нашей физической картины мира, что стали достоянием не только университетских, но и школьных курсов физики.

Л, Больцман установил связь между энтропией и вероятностью состояния системы, разработал максвелл-больцмановское распределение, раскрыл основные закономерности поведения и эволюции неравновесных систем, установил глубокое значение проблемы флуктуаций, теоретически доказал закон излучения абсолютно черного тела Стефана-Больцмана. Это далеко не полный перечень основных результатов теоретических исследований Больцмана, служащих неиссякаемым источником поистине бесчисленных научных работ и технических приложений.

В середине XIX столетия Манером, Гельмгольцем, Кронигом, Клаузиусом и Максвеллом была найдена математическая формулировка первого начала теории теплоты, которое является идентичным законом сохранения энергии. Энергия за время любого процесса не исчезает. С другой стороны, энергия ни при каких обстоятельствах не создается вновь из ничего. Таким образом, сутью закона сохранения энергии (первого начала теории теплоты) является констатация, что в замкнутой физической системе величина энергии постоянна. Этот закон природы может быть выражен также в другой форме: невозможен вечный двигатель, постоянно создающий энергию из ничего. Такой вечный двигатель (по причинам, которые будут рассмотрены ниже) называется perpetual mobile первого рода.

Не менее важным, чем первое начало, является второе начало термодинамики, которое может быть также названо законом о неосуществимости perpetual mobile второго рода. Так, не затрагивая первого закона, можно было бы представить себе работающую машину, покрывающую свою потребность в энергии при помощи теплоты из какого-нибудь резервуара. Энергия, следова следовательно, будет создана не из ничего, а из некоторого резервуара, например, из океана, который при этом будет охлаждаться. Если созданная машиной энергия движения, как это обычно имеет место в земных приборах, в результате сопротивление трения в конечном итоге снова превратится в теплоту и это тепло возвратится в океан, то, несмотря на постоянную работу машины, в состоянии системы, очевидно, не произойдет никаких изменений. Можно было бы предположить, что такая машина, если она вообще работает, могла бы продолжать работать вечно. Эта машина практически могла бы производить ту же работу, что и perpetual mobile первого рода. Именно поэтому машина получила название perpetual mobile второго рода.

Опыт многих тысячелетий показал, что perpetual mobile второго рода не может быть построен. Уже в первой половине прошлого столетия известные ученые, в том числе Карно, Клаузиус, Уильям Томсон и Гельмгольц, сформулировали условия, при которых возможна работа теплового двига­теля. Но исходя из этого закона, Клаузиус сделал вывод, что все виды энергии со временем превратятся в тепловую, а тепловая энергия, в силу указанного закона, равномерно рассеется во Вселенной, которую он представлял как замкнутую систему, и наступит общее энергетическое равновесие, прекратится движение и наступит абсолютный покой и "тепловая смерть" Вселенной.

В те времена термодинамика, не требующая для развития своих основных положений каких либо предположений о строении вещества, казалась многим физикам и философам великолепным опровержением материализма. Сложилась противоречивая картина. Закон сохранения энергии (первое начало термодинамики) укреплял позиции материалистов и подрывал устои религиозного мировоззрения. С другой стороны, теория “тепловой смерти” практически совпадала с учением о “конце мира”. Наука XIX века вплотную подошла к вопросам, издавна считавшимся прерогативой религии. Это были вопросы начала и конца мира, сотворения и уничтожения материи. Выдвинутое Больцманом на основе атомистических представлений вероятностное толкование второго закона термодинамики, развиваемая им флуктуационная гипотеза эволюции Вселенной не оставили камня на камне от прежних мистических представлений. Именно поэтому его взгляды были встречены в штыки всеми идеалистически настроенными учеными. Была подвергнута сомнению вся теоретическая база его исследований, созданное Больцманом объявлялось научно несостоятельным в первую очередь потому, что оно опиралось на пока недоказанную экспериментально гипотезу об атомистическом строении вещества

Вообще, во время вего периода существования философии камнем преткновения была весьма сложная проблема определения сущности материи. Сложность эта заключается в высокой степени абстрактности самого понятия материи, а также в многообразии различных материальных объектов, форм материи, ее свойств и взаимообусловленностей. В связи с этим перед философией и другими науками стоит множество вопросов: Что такое материя? Как развивались представления о ней? Как соотнести с понятием материи бесконечное множество конкретных предметов, вещей? Какими свойствами она обладает? Вечна ли и бесконечна материя? Что является причиной ее изменения? Какие виды материи известны в настоящее время? Как осуществляется взаимный переход одних видов материи и форм ее движения в другие? На основе каких законов это происходит? Наконец, каким образом возникло такое свойство материи, как сознание?

Оценивая в целом представления классической физики XIX в. о строении и свойствах материи, отметим, что они страдали теми же недостатками, что и учения древних. Точка зрения на материю как на первичную, неизменную субстанцию и отождествление ее при этом с веществом содержали в себе предпосылки возможности критических ситуаций в физике. И это не замедлило сказаться.

На благополучном, казалось, фоне "стройной теории" вдруг последовала целая серия необъяснимых в рамках классической физики научных открытий. В 1896 г. были открыты рентгеновские лучи. В 1896г. Беккерель случайно обнаружил радиоактивность урана, в этом же году супруги Кюри открывают радий. Томсоном в 1897 г. открыт электрон, а в 19О1 г. Кауфманом показана изменчивость массы электрона при его движении в электромагнитном поле. Наш соотечественник Лебедев обнаруживает световое давление, тем самым окончательно утверждая материальность электромагнитного поля. В начале ХХ в. Планком, Лоренцом, Пуанкаре и др. закладываются основы квантовой механики, и, наконец, в 19О5 г. Эйнштейном создается специальная теория относительности.

Многие физики того периода, мыслящие метафизически, не смогли понять природы этих открытий. Вера в незыблемость основных принципов классической физики привела их к скатыванию с материалистических позиций в сторону идеализма. Логика их рассуждений была примерно такова. Атом - мельчайшая частица вещества. Атом обладает свойствами неделимости, непроницаемости, постоянства массы, нейтральности в отношении заряда. И вдруг оказывается, что атом распадается на какие-то частицы, которые по своим свойствам противоположны свойствам атома. Так, например, электрон имеет изменчивую массу, заряд и т.д. Это коренное отличие свойств электрона и атома привело к мысли, что электрон нематериален. А поскольку с понятием атома, вещества отождествлялось понятие материи, а атом исчезал, то отсюда следовал вывод: "материя исчезла". С другой стороны, изменчивость массы электрона, под которой понималось количество вещества, стала трактоваться как превращение материи в "ничто". Таким образом, рушился один из главнейших принципов материализма - принцип неуничтожимости и несотворимости материи. В физике наступил кризис.

Кроме того, изменение представлений о пространстве и времени, связанное с созданием неевклидовых геометрий, открытием специальной теории относительности, также вызвало большой резонанс и в области философии. Ряд философов и физиков пришли к выводу: поскольку наши представления о пространстве и времени меняются, следовательно, они субъективны. Особенное место в отстаивании этого положения заняла разновидность теории физического идеализма – махизм. Это течение получила свое название по имени его основателя и идеолога, главы Венского кружка физиков Э. Маха. По Маху пространство и время представляют собой лишь упорядоченные системы рядов ощущений. Последователь Маха Пирсон утверждал, что пространство и время находятся не в вещах, а в нашем способе воспринимать вещи. Знаменитый математик Пуанкаре говорил, что изменчивость понятий пространства и времени является свидетельством навязывания их нами природе в целях удобства.

В дальнейшем в классической физике оформился широкий спектр возможных решений проблемы отношения между наблюдением и теорией: от категорического требования соответствия всех элементов теории восприятия до совсем умеренного требования проверяемости следствий теории. Вот что о теории говорил Больцман: “Я не был бы настоящим теоретиком, если бы в первую очередь не задал себе вопроса: что такое теория?” И далее: “Профану прежде всего бросается в глаза, что теория мало понятна и окружена кучей формул, говорящих недоступным непосвященному языком. Однако эти фор­мулы не являются се существом, и истинный теоретик старается сократить их число до минимума: все, что только можно выразить словами, он и ста­рается сказать словами, тогда как именно в книгах для практиков формулы фигурируют слишком часто исключительно для украшения. ... Я придерживаюсь того мнения, что задача теории заключается в построении существующего только внутри нас изображения внешнего мира, которое должно служить путеводной звездой во всех наших мыслях и экспериментах, т. е. некоторым образом в совершенствовании процесса мышления, в осуществле­нии в больших масштабах того, что в малых масштабах происходит в нас в процессе образования каждого представления”.

Особого внимания в этом споре заслуживают две позиции позиция энергетической школы и атомизма, которые окончательно сформировались к концу минувшего века. Приверженцы атомизма, начиная с Л.Больцмана, отстаивали необходимость гипотезы и считали, что наблюдаемость надо сводить к прове проверяемости следствий теории. С разных точек зрения подвергали критике творения Больцмана Мах и немецкий физико-химимк В.Оствальд. Убежденный идеалист, Мах отрицал объективное существование материи, считая, что материя – это комплекс ощущений, а задачей науки является только их описание. Гипотезу существования атомов он считал неверной, т.к. она противоречила выдвинутому им принципу “экономии мышления”. На все доводы в пользу существования атомов он обычно отвечал: “А Вы видели хотя бы один атом?”

На это Больцман отвечал: “Образовались группы ученых, отбрасывающих все выводы, выходящие за пределы непосредственно осязаемого, и поэтому не признающих теорию газов. Так как наши понятия и представления находятся только внутри нас, то говорили, что и наши представления об атомах не существуют вне нас. Поэтому атомов якобы нет, и учение об атомах ложно. . Что такие чрезвычайно маленькие тельца существуют, и что их совокупное действие образует тела, воспринимаемые органами чувств, является, конечно, только гипотезой. Совершенно точно такой же гипотезой представляется допущение, что, кроме меня, существуют другие люди, чувствующие радость и боль, что существуют также растения, животные, минералы”.

Г.Герц скептически относился к атомизму, но вместе с тем был противником феноменологизма, так как допускал, что видимость, данная в ощущениях, имеет другие, скрытые факторы, которые обусловливают движение материи. Больцман же решительно отстаивал атомистическую гипотезу. В одной из своих популярных лекций он говорил: “… Быть может, гипотеза, что звезды являются только светящимися искрами, еще лучше будет объяснять небесные явления, чем наша современная астрономия. Может быть, но маловероятно. Может быть, атомистическая гипотеза будет вытеснена какой-либо другой гипотезой. Может быть, но маловероятно”.

В самом общем плане Больцман прав в том, что, действительно, все существующее вне сознания есть та же самая гипотеза, поскольку объективная материя предстает в сознании с помощью мышления, а не непосредственно. В этом смысле любое наблюдение не является непосредственным, и неизбежно связано с гипотезой о том, что объективная материя существует вне сознания. Но рассматриваемая с материалистических позиций, вся человеческая практика подтверждает правильность этой гипотезы, которая воплощается в фундаментальной физической теории.

В русле радикального энергетизма, развиваемого В.Оствальдом и другими его единомышленниками, отстаивалась идея, что критерием реальности какого-либо элемента является его измеримость. Он утверждал, что основным понытием физики должно быть поняти энергии, а основным законм природы – закон сохранения энергии. Второе начало термодинамики имеет значение как закон, указывающий направление течения процессов. Из этих законов, утверждал другой видный представитель энергетизма – немецкий ученый Г.Гельм, следует вывести все остальные. Оствальд решительно отрицал существование материи и со своей стороны решительно поддерживал учение Маха. Энергетическая картина мира требовала только создания “концентрированных фактов” без каких-либо гипотез. Программа энергетизма отрицала атомизм, так как само существование атомов “было гипотетичным: они не могли быть непосредственно наблюдаемыми”. Но эта программа оказалась несостоятельной. Даже такие видные представители энергетизма, как, например, П.Дюгем, вынуждены были согласиться с тем, что нет “голых” наблюдательных данных и некоторые гипотетические элементы всегда неизбежны.

Сторонниками атомистического учения в физике были Клаузиус, Макс­велл и венские коллеги Больцмана Стефан и Лошмидт, впервые вычислив­шие величину атомов. Но именно Больцман больше всего сделал для ут­верждения атомистики. В 1897 г. он закончил свою научную статью сло­вами: “Я думаю, что могу уверенно сказать о молекулах: а все-таки они движутся!”

Больцман, проводя определенную аналогию между гипотезой о звездах и гипотезой об атомах, признавал за гипотезой ведущую роль в научном познании. Он подчеркивал важную роль и значение гипотез в физическом знани: “…Без них физика немыслима, феноменология непреодолима, а один эксперимент при всем его решающим значении науки не достаточен для прогнозирования”. В то же время ему был чужд узкий догматизм. Выступая против махизма, он восклицает: ”Прочь с любой догматикой, как в атомистическом, так и в антиатомистическом смысле!”. В настоящее время нам трудно понять, каким образом в XIX, тем более в XX столетии, наряду с допущением атомов в химии, могли уживаться отрицание их в физике. Ведь еще Джон Дальтон в первые годы XIX столе­тия помог утвердиться атомной теории в химии. На основе атомистики Менделеев построил свою периодическую систему элементов. Целые поколе­ния химиков писали для молекул атомистические химические формулы, в то время как в физике главенствовало отрицание атомов. По-видимому, это объяснялось тем, что еще в период промышленной революции от химиков требовалось рациональное объяснения процессов, происходящих в сернокислотном, содовом и сахарном производстве, а также в доменных печах. Отрицание атомистики должно было привести к непониманию хи­мических процессов и тем самым к материальным убыткам. Связь между физикой и промышленностью долгое время была значительно менее тесной, вследствие чего враждебные атомистике течения в физике смогли удержаться дольше.