НЕВЕРОЯТНО - НЕ ФАКТ

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

У нас, конечно, есть все основания говорить, что ста­тистическая физика — это новая физика. Огромность числа частиц тела не позволяет описывать состояние каждой из них. Но в то же время эта огромность по­зволяет применить к изучению физических тел но­вые «статистические» методы. Основы статистической физики были заложены замечательным австрийским фи­зиком Людвигом Больцманом (1844—1906 гг.). В серии работ Больцман показал, как осуществить для газов программу построения теории, связывающей средние ха­рактеристики молекулярного движения с физическими свойствами.

В 1877 году логическим завершением этих исследова­ний явилось данное Больцманом статистическое истолко­вание второго начала термодинамики. Формула, связы­вающая энтропию и вероятность состояния системы, вы­сечена на его памятнике.

Трудно переоценить научный подвиг Больцмана, на­шедшего в теоретической физике совершенно новые пу­ти. Исследования этого замечательного ученого под­вергались при его жизни насмешкам со стороны консер­вативной немецкой профессуры: в то время атомные и молекулярные представления считались многими кори­феями науки наивными и ненаучными. Больцман покон­чил жизнь самоубийством, и обстановка, несомненно, сыграла в этом далеко не последнюю роль.

Здание статистической физики было в значительной степени завершено трудами выдающегося американского физика Джошуа Вилларда Гиббса (1839—1903 гг.). Гиббс обобщил методы Больцмана и показал, каким об­разом можно распространить статистический подход на все тела. Последняя работа его вышла в свет уже в начале XX века. И прошло порядочное число лет, пока его замечательные исследования стали известны всем физикам. А все дело заключалось в скром­ности. Из-за нее Гиббс печатал свои труды в известиях небольшого провинциального университета.

Что же это за путь, по которому надо идти, чтобы найти связь между хаотическим молекулярным движе­нием и свойствами тела? Как экспериментальным путем измерить вероятность состояния тела?

Одна из самых важных работ Людвига Больцмана показала следующее. Если телу сообщить небольшое ко­личество энергии в форме тепла и разделить затрачен­ное число калорий на температуру, при которой проис­ходит эта передача энергии, то полученное частное бу­дет равняться приросту энтропии. А прирост энтропии, как помнит тот читатель, который не позабыл свойства логарифмов, равен относительному приросту вероятно­сти состояния (ибо разность логарифмов равна логариф­му частного).

Доказывать эту теорему я не имею возможности. Но такова уж участь читателей литературы о науке — они должны иногда верить автору на слово. Правда, в наш недоверчивый век я стараюсь не злоупотреблять этой прерогативой, но сейчас прошу поверить: все ска­занное верно, и энтропию, вычисляемую из вероятности состояния, можно (и не очень трудно) измерить на опыте.

Гиббсом были даны формулы, которые позволяли проводить вычисление любых физических свойств любых тел, если известна вероятность состояния.

На первый взгляд может показаться, что прогресс не очень-то велик и что молекулярно-кинетическая тео­рия осталась «вещью в себе». Ну получили формулу для расчета свойств тела! Но ведь для того, чтобы произве­сти этот расчет, надо знать вероятность состояния, то есть число микросостояний! А откуда ее взять? Гиббс показал, что вместо числа микросостояний достаточно знать их распределение по энергии.

Долгое время казалось, что от этого легче не стало. И лишь относительно недавно мощь статистической фи­зики проявилась. Лет пятьдесят назад физики научи­лись измерять распределение микросостояний по энер­гии с помощью спектрального анализа. И тогда соз. лась возможность использовать статистическую физик, так, как должно, то есть для предсказаний.

Вот пример схемы действий, которая приводит в BOl хищение физика и, кстати говоря, формирует его мири воззрение и психологию.

Вы, осветив какой-либо газ, ну, скажем, для опреде­ленности углекислый газ, подвергаете его спектральному исследованию и получаете красивую спектрограмму, со­стоящую из множества четких спектральных линий Спектрограмма расшифровывается с помощью ЭВМ, і вы получаете список энергии микросостояний молекул в ей де ряда чисел. Полученные числа подставляютсг

в формулы статистической физики. Если лень считать самому, можете и эту задачу поручить ЭВМ. В резуль­тате расчета вы получите, например, зависимость тепло­емкости углекислого газа от температуры. Теперь отпра­вимся в другую лабораторию — калориметрическую. Здесь можно измерить, сколько тепла надо затратить, чтобы один грамм газа нагреть от 20 градусов до 21, от 21 градуса до 22 и т. д. Это и значит, что вы измеряете кривую теплоемкости. Вы отмечаете крестиками полу­ченные на опыте данные на миллиметровой бумаге. Здесь же, в том же масштабе, изображена кривая теплоемкости, которую вы вычислили теоретически. И видите, что крестики строго ложатся на теоретиче­скую кривую.

Вдумайтесь еще раз в смысл происшедшего. Что об­щего, казалось бы, между поглощением света углекис­лым газом и теплом, затрачиваемым на нагрев этого газа? Да ничего' решительно ничего.

И вот между этими двумя явлениями перекидывает­ся мост — прозрачно ясная идея беспорядочно движу­щихся молекул, далее, поведение молекул уподобляется поведению шарика рулетки, вступает в строй математи­ческий аппарат теории вероятностей, и два события ока­зываются связанными железной цепью. Характер одного из них определяет особенности второго.

Вот это и есть настоящая физика, в этом главное, что принесла с собой наука. Она сделала мир единым, а не хаосом разрозненных, не имеющих между собой ни­чего общего явлений.