Лекция (1183880), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Гельмгольц кем только не был, известный человек. Пойдя по пути Майера, тоже наткнулся на стену, поэтому опубликовал брошюру сам. Сводя любой макрообъект к микрообъекту, пришёл к выводу о срхранении и превращении энергии. К 50м годам возникло общее представление об этом законе.
Лекция 7.
Завершение формирования классической физики. Вторая половина 19 века.
Особенности развития производства:
1) ДВС; практически применимый - двигатель Отто, четырёхтактный. Позже - дизель.
2) паровые турбины.
3) с 70х годов - телефон.
4) электричество для освещения. Впервые продемонстрировано Любимовым в 1860м году в МГУ. Лодыгин запатентовал дуговую лампу, Яблочков - лампу накаливания. Реально в жизнь вошла более практичная лампа Эдисона, которой был необходим хороший вакуум.
5) постоянный, переменный ток и связанные с ними электродвигатели. Победил более дешёвый переменный ток - но он более вредный. Позже появляются трамваи на электромоторной тяге.
Философия и физика.
Наиболее популярной философией для будущих физиков стал позитивизм Маха и Авенариуса. Материализм (вплоть до "вульгарного"), переживавший не лучшие времена, был побеждён.
Термодинамика.
1й закон был очевиден к 50м годам из закона сохранения энергии.
2й закон.
1848 - Томсон ввёл понятие абсолютной температуры.
1850 - Клаузиус даёт первую формулировку для равновесных процессов.
1851 - Вильям Томсон (Кельвин) - вторая формулировка. Нельзя получить тепло от тела путём его охлаждения ниже температуры самого холодного из окружающих тел. Спор закончился победой Клаузиуса - после приведения им формулы (int)(dQ/T)=0 - для равновесных процессов. dQ/T=dS.
В 60е года пытались обобщить на неравновесные процессы - <=0.
3й закон.
1906 - Нерст; Планк в дальнейшем упростил (радикальная формулировка). Однако есть куча примеров, где он не выполняется.
Второй закон тоже не является всеобщим. Исключение открыто в 1949 году в системе ядерных спинов.
Клаузиус и Кельвин выдвинули гипотезу о тепловой смерти вселенной. Если считать вселенную замкнутой или изолированной и исходить из неравновесного второго закона, энтропия придёт к максимуму и неравновесные процессы прекратятся.
Вариант 1 - кто сказал, что вселенная замкнута?
Больцман - куда дели флуктуации?
Такие гипотезы порождают сомнения в правильности термодинамике.
20 лет пытались придумать опровержение второго закона, и добились полной рафинации термодинамики.
Аксиоматическая термодинамика. Шеллер, Каратеодори, Афанасьева-... В настоящий момент не развивается.
Термодинамика - наука всеобщая. Термодинамический анализ первичен.
Первый метод термодинамики - метод круговых процессов. Второй - метод термодинамических потенциалов (Мосье, Гельмгольц, Гиббс).
Кинетическая теория газов.
Стала развиваться параллельно с термодинамикой. Газ состоит из частичек и движение частичек есть тепловая энергия. До этого газ считался чем-то типа жидкости.
Ватерстон предложил ЛКО в 1845 году работу, где выводится основное уравнение кинетической теории газов. Однако статья не получила нужных отзывов. Позже появилась статья Джоуля - посчитана среднеквадратичная скорость молекул. Крёниг тоже писал на эту тему. 1857 - работа Клаузиуса "О роде движения, которое мы называем теплотой". Впервые правильно опубликовано по-человечески полученное основное уравнение. Исходя из того, что есть тепловое равновесие, получается баланс энергии. Ввёл представление о молекулярном хаосе. Посчитал среднеквадратичную скорость движения молекул. 1857 - год рождения статфизики.
1859 - Максвелл изучил работу Клаузиуса и выступил с докладом, где выводит распределение Максвелла. В 1860м - правильно выводит, точнее, обосновывает этот постулат. 1866 - распределение Больцмана, во внешних полях. Очень смахивающее на распределение Гиббса.
1872 - Больцман получает уравнение Больцмана. Угадал. Позже доказывает Н-теорему. Второй закон термодинамики получае другую окраску - статистическое толкование. Параллельно Больцман записывает формулу связи энтропии и числа микросостояний S = KlnM.
Теория Броуновского движения в начале 20 века практически полностью развеяла сомнения в правильности термодинамики.
Теория Больцмана не описывает частицы, взаимодействующие по принципу близкодействия. При взаимодействии 1/R приходилось обрезать взаимодействие на бесконечности. Позже Власов предложил своё уравнение для плазмы.
Статистическая физика.
Кинетическая теория ещё не есть статфизика. Она появляется с работ 70х годов Максвелла и Больцмана. Введена эргодическая гипотеза. Если есть система многих частиц, единственным однозначным интегралом движения будет интеграл энергии. Квазиэргодическая гипотеза - к данной точке траектория в будущем будет подходить сколь угодно близко. Эргодическая гипотеза нужна для замены средних по времени средними по ансамблю. Чисто эргодных систем не существует, но и в квазиэргодных такое возможно.
Доказательство эргодности систем появилось в 50х годах 20 века.
В 1902м - "Основные принципы статистической механики", Гиббс. В ней сформулирована практически вся статфизика, но конкретных задач не решал. Получил уравнение Лиувилля (сам так назвал), ввёл в обиход статистический ансамбль Гиббса, получил все три канонических распределения Гиббса - путём постулирования, основанного на реальности. Пытается обосновать статфизику из общих соображений.
Первый человек, решивший методом Гиббса задачу - Урселл, 1927. Получил второй и третий вириальный коэффициенты.
В рамках неравновесной теории метод Гиббса не предложил ничего нового. Только в 1946 Боголюбов появляется его цепочка уравнений, позволившая предложить метод Гиббса для неравновесной теории.
Теории Гиббса были обобщены на квантовый вариант. Решение обычно получали методом последовательных приближений из предельно простых моделей.
В настоящее время остались ещё проблемы описания жидкости.
Электродинамика.
Её создал Максвелл (1831-1879). 50е года 19 века. В тёх статьях.
1я - 1855-56гг. "О фарадеевых силовых линиях". В ней впервые ставится задача перевода идей Фарадея на математический язык. В следующей статье задача более конкретизируется. На основании гидродинамической модели.
2я - среда состоит из шестиугольников (сечения трубок тока - магнитные вихри) с шариками между ними. При движении шариков возникают токи смещения. Впервые появляются уравнения Максвелла.
3я - начало 60х. "Динамическая теория электромагнитного поля". Выбрасывает старые модели и постулирует свои уравнения исходя из наличия токов смещения, электротомического состояния и исходя из системы динамического типа - возможна запись уравнения Лагранжа с хорошо подобранными обобщённым импульсом и координатами. По-видимому, свет есть электромагнитная волна, так как возмущения распространяются со скоростью света. Ошибок было очень много, но Максвелл верил в свою теорию.
1873 год - "Трактат по электричеству и магнетизму". Всё описывается очень подробно. Исходил из теории близкодействия.
Рассматривает электромагнитное поле (не говоря, что это такое).
1я часть - электростатика и постоянный ток.
2я часть - магнетизм, электромагнетизм, теория электромагнитного поля.
Электромагнитные волны.
Максвелл предвидел возмущения, распространяющиеся в эфире. Необходимо было их обнаружить. Другие считали, что есть поляризация среды (Гельмгольц). 1887 год - Герц получил вибратор Герца. Правильной оказалась теория Максвелла. Умер Герц в 1894м году.
Этой проблематикой заинтересовался Лебедев. У него длина волны достигала 0.5 см - он хотел найти переносчик взаимодействия между молекулами. Исследовал взаимодействие резонаторов. Доказал, что при взаимодействии резонаторов возможно и отталкивание, и притяжения. Исследовал давление света. В 1900 году, что неправильно (раньше) - просто опубликовал в Лозанне. Теория Максвелла была подтверждена. Столетов предлагал Лебедеву заниматься электронной теорией.
Лекция 8
Электронная теория.
В 1897 году Дж.Дж. Томпсон открыл электрон. Появляется первая элементарная частица - физическая реальность. Появляется новая теория, описывающая вещество, руководствуясь наличием электронов. Друде развил теорию металлов. Применил статистику Максвелла-Больцмана и получил приличные результаты, хотя теория была неправильной.
Лоренц предложил новый подход к построению электронной теории - есть некий неподвижный эфир, в котором движутся заряженные частицы. Между ними действуют силы (Лоренца). Написал свои уравнения (тоже Лоренца). Если тело неподвижное, при усреднении получаем уравнения Максвелла; если движутся - уравнения Лоренца. Объяснил эффект Зеемана (получил Нобелевскую премию). Её смог улучшить в 1928м году только Зоммерфельд.
Период релятивистской и квантовой физики (начало 20 века - ...).
1. Проблемы физики на рубеже 19 и 20 веков. Делятся на две части - вечные и сразу появившиеся, раздражающие.
Первая проблема - проблема теплового излучения. С середины 19 века классической физики было недостаточно для его описания. Распределение было известно, правда, у одной теории получался один хвост распределения, у другой - другой хвост. Макс Планк решил объединить эти два хвоста угадыванием.
В 1895 году Рентген открыл Х-лучи. Они вели себя нетрадиционно - просвечивали то, что не могли другие. В России в МГУ как об этом узнали, быстро наделали рентгеновских аппаратов - в это время стало возможно воспроизводить эксперименты, поставленные в других странах. Рентген получил первую Нобелевскую премию за это в 1901 году. Проблема неклассичности - излучение вело себя крайне необычно.
С открытием электрона были проведены попытки измерить отношение его заряда к массе - Кауфман. Стало видно, что либо заряд, либо масса зависят от скорости. Однако изменение массы было объяснено классическим образом.
В 1887 году открыт внешний фотоэффект Герца. На рубеже веков стало ясно, что у фотоэффекта есть ряд свойств, не объяснимых классическим образом - например, зависимость от частоты.
В 1896м году Беккерель открыл явление радиоактивности. Измерили энергию и изумились - откуда её столько? Это был расцвет позитивизма.
Такая ситуация многим казалась кризисом физики. Аж до 50х годов 20 века, когда сами физики этот кризис давно преодолели.
2. Возникновение теории относительности (СТО).
Первый занялся этой проблематикой Лоренц, потом Пуанкаре, потом Эйнштейн и Минковский. В смысле философии это разные теории, а в смысле математики - идентичные. Теория относительности началась с принципа относительности, известного ещё с глубокой древности - принцип относительности Галилея (16-17 вв). В 1728 году Брэдли открыл аберрацию света. 1810 год - Араго поставил классический опыт с источником света - от звезды показатель преломления не зависит от источника и его скорости. В 19 веке в результате развития волновой оптики пришлось ввести теории об эфире - неподвижного, увлекающегося и частично увлекающегося (Френель), которая могла объяснить опыт Араго. Далее появилась теория Максвелла - с неподвижной системой координат. Появилась проблема перехода от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Этой проблемой занялся Лоренц. Ввёл требования однозначности преобразования - неизменность вида системы уравнений Максвелла. Решал задачу по частям. Однако у Лоренца не было представлений о теории относительности, потому он преобразования до конца не довёл. Это сделал Пуанкаре. В 1848 году был открыт эффект Доплера, и многие люди пытались его объяснить.
В 1887 году Фогт решил придумать такое преобразование, которое сохраняет инвариантность уравнений Максвелла, и получил - с другим знаком относительно преобразований Лоренца.
Лармор в 1900 году вывел все эти преобразования, никак их не обозначил и забыл. В 1904 году Лоренц методом последовательных приближений получил один из вариантов этих преобразований. Он исходил из: неподвижного эфира, подвижных частиц, сил взаимодействий, уравнений Лоренца. Для неподвижной среды - уравнения Максвелла. В 1892 году пришлось ввести теорию сокращения.
В 1905 году выходит статья Пуанкаре, где тот выводит преобразования Лоренца, ввёл инвариантность и вообще все понятия. В том числе понятия одновременности. Пуанкаре сделал всё, но в разных местах. Был ли у него эфир - лектор не знает.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
