Если бы были выбраны свойства теплового состояния, сильно отличающиеся от напряжений газов, это соотношение приняло бы очень сложные формы, и согласие между теплотой и другими рассмотренными выше энергиями не существовало бы. Очень поучительно поразмыслить над этим пунктом. Естественный закон, следовательно, не подразумевается в соответствии поведения энергий, но это соответствие скорее обусловлено единообразием наших способов мышления и отчасти является делом удачи.
VI. РАЗЛИЧИЯ ЭНЕРГИЙ И ГРАНИЦЫ ПРИНЦИПА ЭНЕРГИИ.
Из каждого количества теплоты Q, которое совершает работу в обратимом процессе (не сопровождающемся потерями) между абсолютными температурами T1, T2, только часть
(T1 - T2)/T1
превращается в работу, в то время как остаток передается на более низкий температурный уровень T2. Эта переданная часть может при обращении процесса, с той же затратой работы, снова быть возвращена на уровень T1. Но если процесс необратим, то на более низкий уровень течет больше тепла, чем в предыдущем случае, и излишек уже не может быть возвращен на более высокий уровень T2 без особой затраты. У. Томсон (1852), соответственно, обратил внимание на то, что во всех необратимых, то есть во всех реальных тепловых процессах, количества теплоты теряются для механической работы и что, соответственно, происходит диссипация или растрата механической энергии. Во всех случаях теплота лишь частично превращается в работу, но часто работа полностью превращается в теплоту. Следовательно, существует тенденция к уменьшению механической энергии и к увеличению тепловой энергии мира.
Для простого замкнутого циклического процесса, не сопровождающегося потерями, в котором количество теплоты Q1 берется с уровня T1, а количество Q2 откладывается на уровне T2, согласно уравнению (2), существует следующее соотношение,
-(Q1/T1) + (Q2/T2) = 0.
Аналогично, для любого числа сложных обратимых циклов Клаузиус находит алгебраическую сумму
ΣQ/T = 0,
и предполагая, что температура меняется непрерывно,
∫dQ/T = 0 (4)
Здесь элементы количеств теплоты, отведенные с данного уровня, считаются отрицательными, а элементы, сообщенные ему, — положительными. Если процесс необратим, то выражение (4), которое Клаузиус называет энтропией, возрастает. На практике это всегда так, и Клаузиус приходит к утверждению:
1. Что энергия мира остается постоянной.
2. Что энтропия мира стремится к максимуму.
Как только мы отметили указанное выше соответствие в поведении различных энергий, упомянутая здесь особенность тепловой энергии должна поразить нас. Откуда происходит эта особенность, ведь, как правило, каждая энергия переходит лишь частично в другую форму, что верно и для тепловой энергии? Объяснение будет найдено в следующем.
Каждое преобразование особого вида энергии A сопровождается падением потенциала этого конкретного вида энергии, включая теплоту. Но в то время как для других видов энергии преобразование и, следовательно, потеря энергии со стороны вида, падающего в потенциале, связаны с падением потенциала, с теплотой дело обстоит иначе. Теплота может претерпевать падение потенциала, не неся потери энергии, по крайней мере согласно обычному способу оценки. Если груз опускается, он должен по необходимости создать кинетическую энергию, или теплоту, или какую-то другую форму энергии. Также электрический заряд не может претерпеть падение потенциала без потери энергии, т. е. без преобразования. Но теплота может перейти с падением температуры к телу большей емкости, и та же тепловая энергия все еще сохранится, пока мы рассматриваем каждое количество теплоты как энергию. Это и придает теплоте, помимо ее свойства энергии, во многих случаях характер материальной субстанции, или количества.
Если мы посмотрим на дело непредвзято, мы должны спросить, есть ли какой-либо научный смысл или цель в том, чтобы все еще рассматривать как энергию количество теплоты, которое уже не может быть превращено в механическую работу (например, теплоту замкнутой равномерно нагретой материальной системы). Принцип энергии, безусловно, играет в этом случае совершенно излишнюю роль, которая отводится ему только по привычке. Поддерживать принцип энергии перед лицом знания о диссипации или растрате механической энергии, перед лицом возрастания энтропии — это почти равносильно той свободе, которую взял Блэк, когда рассматривал теплоту плавления как все еще присутствующую, но латентную. Следует отметить далее, что выражения «энергия мира» и «энтропия мира» слегка пропитаны схоластикой. Энергия и энтропия — это метрические понятия. Какой смысл может быть в применении этих понятий к случаю, в котором они неприменимы, в котором их значения не определимы?
Если бы мы могли действительно определить энтропию мира, она представляла бы собой истинную, абсолютную меру времени. Таким образом лучше всего видна полная тавтология утверждения, что энтропия мира возрастает со временем. Время и тот факт, что определенные изменения происходят только в определенном смысле, — это одно и то же.
VII. ИСТОЧНИКИ ПРИНЦИПА ЭНЕРГИИ.
Теперь мы готовы ответить на вопрос: каковы источники принципа энергии? Все знание о природе в конечном счете выводится из опыта. В этом смысле правы те, кто рассматривает принцип энергии как результат опыта.
Опыт учит, что чувственные элементы αβγδ..., на которые может быть разложен мир, подвержены изменениям. Он говорит нам далее, что некоторые из этих элементов связаны с другими элементами, так что они появляются и исчезают вместе; или что появление элементов одного класса связано с исчезновением элементов другого класса. Мы избежим здесь понятий причины и следствия из-за их неясности и двусмысленности. Результат опыта может быть выражен следующим образом: чувственные элементы мира (αβγδ...) проявляют себя как взаимозависимые. Эта взаимозависимость лучше всего представлена некоторой концепцией, подобной той, что в геометрии является взаимной зависимостью сторон и углов треугольника, только гораздо более разнообразной и сложной.
В качестве примера мы можем взять массу газа, заключенную в цилиндр и обладающую определенным объемом (α), который мы изменяем давлением (β) на поршень, в то же время чувствуя цилиндр рукой и получая ощущение тепла (γ). Увеличение давления уменьшает объем и увеличивает ощущение тепла.
Различные факты опыта не во всех отношениях одинаковы. Их общие чувственные элементы выделяются процессом абстракции и таким образом запечатлеваются в памяти. Таким образом получается выражение черт согласия обширных групп фактов. Самое простое предложение, которое мы можем произнести, является, по самой природе языка, абстракцией такого рода. Но необходимо также учитывать различия родственных фактов. Факты могут быть настолько близко связаны, что содержат один и тот же вид αβγ..., но отношение таково, что αβγ... одного отличаются от αβγ... другого только числом равных частей, на которые они могут быть разделены. В таком случае, если могут быть даны правила для вывода друг из друга чисел, которые являются мерами этих αβγ..., то мы обладаем в таких правилах самым общим выражением группы фактов, а также тем выражением, которое соответствует всем ее различиям. Это цель количественного исследования.
Если эта цель достигнута, то мы обнаружили, что между αβγ... группы фактов, или, лучше, между числами, которые являются их мерами, существует ряд уравнений. Простой факт изменения приводит к тому, что число этих уравнений должно быть меньше числа αβγ.... Если первое меньше второго на единицу, то одна часть αβγ... однозначно определяется другой частью.
Поиск отношений последнего рода является важнейшей функцией специального экспериментального исследования, потому что мы получаем возможность дополнять в мысли факты, которые даны лишь частично. Само собой разумеется, что только опыт может установить, что между αβγ... существуют отношения и какого они рода. Далее, только опыт может сказать, что отношения, существующие между αβγ..., таковы, что их изменения могут быть обратимы. Если бы это было не так, то всякий повод для формулировки принципа энергии, как легко видеть, отсутствовал бы. В опыте, следовательно, погребен конечный источник всякого знания о природе, и, следовательно, в этом смысле также конечный источник принципа энергии.
Но это не исключает того факта, что принцип энергии имеет также логический корень, как будет показано сейчас. Предположим на основе опыта, что одна группа чувственных элементов αβγ... однозначно определяет другую группу λμν.... Опыт далее учит, что изменения αβγ... могут быть обратимы. Тогда логическим следствием этого наблюдения является то, что каждый раз, когда αβγ... принимают одни и те же значения, это также верно и для λμν.... Или что чисто периодические изменения αβγ... не могут производить никаких постоянных изменений λμν.... Если группа λμν... является механической группой, то вечный двигатель исключен.
Скажут, что это порочный круг, что мы признаем. Но психологически ситуация существенно иная, думаю ли я просто об однозначной определенности и обратимости событий или исключаю вечный двигатель. Внимание принимает в двух случаях разные направления и проливает свет на разные стороны вопроса, которые логически, конечно, обязательно связаны.
Безусловно, та твердая, логическая установка мыслей, заметная у великих исследователей, Стевина, Галилея и остальных, которая сознательно или инстинктивно поддерживалась тонким чувством малейших противоречий, не имеет иной цели, кроме как ограничить границы мысли и тем самым избавить ее от возможности ошибки. В этом, следовательно, дан логический корень принципа исключенного вечного двигателя, а именно в том всеобщем убеждении, которое существовало еще до развития механики и содействовало этому развитию.
Совершенно естественно, что принцип исключенного вечного двигателя был впервые развит в простой области чистой механики. Переносу этого принципа в область общей физики много способствовала идея о том, что все физические явления — это механические явления. Но предыдущее обсуждение показывает, насколько несущественно это понятие. На самом деле речь идет о признании всеобщей взаимосвязи природы. Как только это установлено, мы видим вместе с Карно, что безразлично, нарушаются ли механические законы прямо или окольными путями.
Принцип исключенного вечного двигателя очень тесно связан с современным принципом энергии, но он не идентичен ему, ибо последний может быть выведен из первого только посредством определенной формальной концепции. Как видно из предыдущего изложения, вечный двигатель может быть исключен без того, чтобы мы использовали или обладали понятием работы. Современный принцип энергии проистекает прежде всего из субстанциального понимания работы и любого изменения физического состояния, которое при обращении производит работу. Сильная потребность в такой концепции, которая отнюдь не является необходимой, но в формальном смысле очень удобна и ясна, проявлена в случае Ю. Р. Майера и Джоуля. Ранее было замечено, что эта концепция была подсказана обоим исследователям наблюдением, что как производство тепла, так и производство механической работы были связаны с расходом субстанции. Майер говорит: «Ex nihilo nil fit» (из ничего ничего не происходит), и в другом месте: «Создание или разрушение силы (работы) лежит вне области человеческой деятельности». У Джоуля мы находим такой отрывок: «Явно абсурдно предполагать, что силы, которыми Бог наделил материю, могут быть уничтожены».
Некоторые авторы усмотрели в таких утверждениях попытку метафизического обоснования учения об энергии. Но мы видим в них просто формальную потребность в простом, ясном и живом охвате фактов, который получает свое развитие в практической и технической жизни и который мы переносим, как можем, в область науки. Как факт, Майер пишет Гризингеру: «Если, наконец, вы спросите меня, как я оказался вовлечен во все это дело, мой ответ просто таков: занятый во время морского путешествия почти исключительно изучением физиологии, я открыл новую теорию по той достаточной причине, что я живо чувствовал потребность в ней».
Субстанциальное понимание работы (энергии) отнюдь не является необходимым. И далеко не верно, что проблема решена с признанием потребности в такой концепции. Скорее, давайте посмотрим, как Майер постепенно пытался удовлетворить эту потребность. Он сначала рассматривает количество движения, или импульс, mv, как эквивалент работы и не пришел, до более позднего времени, к понятию живой силы (mv²/2). В области электричества он не смог назначить выражение, которое является эквивалентом работы. Это было сделано позже Гельмгольцем. Формальная потребность, следовательно, присутствует первой, а наше представление о природе впоследствии постепенно адаптируется к ней.
Обнажение экспериментального, логического и формального корня нынешнего принципа энергии, возможно, внесет большой вклад в устранение мистицизма, который все еще цепляется за этот принцип. Что касается нашей формальной потребности в очень простом, осязаемом, субстанциальном понимании процессов в нашем окружении, остается открытым вопрос, насколько природа соответствует этой потребности или насколько мы можем удовлетворить ее. В одной фазе предыдущих дискуссий казалось бы, что субстанциальное понятие принципа энергии, подобно материальной концепции теплоты Блэка, имеет свои естественные границы в фактах, за которыми его можно придерживаться только искусственно.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ФИЗИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.
Когда человеческий разум, с его ограниченными силами, пытается отразить в себе богатую жизнь мира, частью которого он сам является лишь малой долей и которую он никогда не надеется исчерпать, у него есть все основания действовать экономно. Отсюда та тенденция, выраженная в философии всех времен, охватить несколькими органическими мыслями фундаментальные черты реальности. «Жизнь не понимает смерти, а смерть жизни». Так говорил старый китайский философ. И все же в своем непрестанном желании уменьшить границы непостижимого человек всегда был занят попытками понять смерть через жизнь, а жизнь через смерть.
Среди древних цивилизованных народов природа была наполнена демонами и духами, имеющими чувства и желания людей. Во всех существенных чертах этот анимистический взгляд на природу, как метко назвал его Тайлор, разделяется как фетишистом современной Африки, так и самыми развитыми народами древности. Как теория мира он никогда полностью не исчезал. Монотеизм христиан никогда полностью не преодолел его, не более, чем монотеизм иудеев. В вере в колдовство и в суевериях XVI и XVII веков, веков зарождения естествознания, он принял пугающие патологические размеры. В то время как Стевин, Кеплер и Галилей медленно возводили здание современной физической науки, жестокая и беспощадная война велась с помощью факела и дыбы против дьяволов, которые выглядывали из каждого угла. Даже сегодня, помимо всех пережитков того периода, помимо следов фетишизма, которые все еще присущи нашим физическим концепциям, те самые идеи все еще скрыто таятся в практиках современного спиритизма.
Рядом с этой анимистической концепцией мира мы время от времени, в разных формах, от Демокрита до наших дней, встречаем другой взгляд, который также претендует на исключительную компетенцию в понимании вселенной. Этот взгляд можно охарактеризовать как физико-механический взгляд на мир. Сегодня этот взгляд бесспорно занимает первое место в мыслях людей и определяет идеалы и характер нашего времени. Приход разума человека к полному осознанию своих сил в XVIII веке был периодом подлинного разочарования. Он создал великолепный прецедент жизни, действительно достойной человека, способной преодолеть старое варварство в практических областях жизни; он создал «Критику чистого разума», которая изгнала в царство теней ложные идеи старой метафизики; он вложил в руки механической философии вожжи, которые она сейчас держит.
Часто цитируемые слова великого Лапласа, которые я сейчас приведу, звучат как ликующий тост за научные достижения XVIII века: «Разум, которому были бы даны на одно мгновение все силы природы и взаимные положения всех ее масс, если бы он был иначе достаточно мощным, чтобы подвергнуть эти проблемы анализу, мог бы охватить одной формулой движения самых больших масс, а также самых маленьких атомов; ничто не было бы для него неопределенным; будущее и прошлое лежали бы открытыми перед его глазами». Пиша эти слова, Лаплас, как мы знаем, имел в виду также атомы мозга. Эта идея была выражена еще более решительно некоторыми из его последователей, и не будет преувеличением сказать, что идеал Лапласа — это по существу идеал подавляющего большинства современных ученых.
Мы с радостью отдаем должное создателю «Небесной механики» за чувство высокого удовольствия, пробужденное в нем великим успехом Просвещения, которому мы тоже обязаны своей интеллектуальной свободой. Но сегодня, с невозмутимым разумом и перед лицом новых задач, физической науке подобает обезопасить себя от самообмана тщательным изучением своего характера, чтобы она могла с большей уверенностью преследовать свои истинные цели. Если я поэтому выхожу за узкие пределы своей специальности в этом обсуждении, чтобы вторгнуться в дружественные соседние области, я могу оправдаться тем, что предмет познания является общим для всех областей исследования и что фиксированные, резкие линии разграничения не могут быть проведены.
Вера в оккультные магические силы природы постепенно угасла, но на ее месте возникла новая вера — вера в магическую силу науки. Наука бросает свои сокровища не как капризная фея в подолы немногих избранных, а в подолы всего человечества, с щедрой расточительностью, о которой не мечтала ни одна легенда! Не без видимой справедливости, следовательно, ее далекие поклонники приписывают ей силу открывать непостижимые бездны природы, в которые чувства не могут проникнуть. И все же она, которая пришла, чтобы принести свет в мир, вполне может обойтись без тьмы тайны и без помпезного шоу, которое ей не нужно ни для оправдания своих целей, ни для украшения своих простых достижений.
Домашние начала науки лучше всего раскроют нам ее простой, неизменный характер. Человек приобретает свое первое знание о природе полусознательно и автоматически, из инстинктивной привычки имитировать и прогнозировать факты в мысли, дополнять вялый опыт быстрыми крыльями мысли, поначалу только для своего материального благополучия. Когда он слышит шум в подлеске, он конструирует там, точно так же, как это делает животное, врага, которого он боится; когда он видит определенную кожуру, он мысленно формирует образ фрукта, который он ищет; точно так же, как мы мысленно связываем определенный вид материи с определенной линией в спектре или электрическую искру с трением куска стекла. Знание причинности в этой форме, безусловно, достигает далеко ниже уровня домашней собаки Шопенгауэра, которой оно приписывалось. Оно, вероятно, существует во всем животном мире и подтверждает утверждение того великого мыслителя относительно воли, которая создала интеллект для своих целей. Эти примитивные психические функции укоренены в экономии нашего организма не менее прочно, чем движение и пищеварение. Кто стал бы отрицать, что мы чувствуем в них тоже элементарную силу долго практиковавшейся логической и физиологической деятельности, завещанную нам как наследство от наших предков?