From: "Georgiy Zaretskiy"
Newsgroups: relcom.sci.philosophy
Subject: Энергия, закон сохранения, Герц
Date: 22 Mar 1999 18:16:36 +0300
Добрый день!
В свое время когда мне приходилось изучать не безизвестную
работу "Материализм и эмпириокритицизм", то встречающаяся
там критика энергетической теории Освальда вызывала у меня
недоумение по поводу того, зачем так много в философской
работе уделяется такому вопросу как энергия. И тем более,
что паралельно изучал и курс теоретической механики и физики,
где никаких Оствальдов вообще не упоминалось. Но
так как время шло, а ответа на вопрос не удалось найти,
так и осталось воспоминание о недоумении в студенческие
годы. Хотя казалось бы чего стунедту надо было?. Ну нет
этого энергетизма - все спокойно: в механике и физике
развитие идет полным ходом. А нет - через 12 лет, ничего
по началу не предвешавшая дискуссия о детандере (что это
такое я долго вообще понять не мог), буквально возвращает,
к наполовину уже забытым размышлениям, вернее сказать
вопросам, которые тогда остались без ответа. Как то я уже
писал, что рассуждения по поводу существования ВД заставляют
глубже разбираться с понятием "'энергия". Когда я писал
эту фразу, то крайней мере внутреннее ощушение, что в реальности
все должно исправиться, что безусловно понятие "энергии"
так и должно оставаться первичным. Однако что же заставило
меня написать фразу о необходимости разбираться? Я был
поражен многочисленностью понятия энергии, с которым
я встретился, обратившись к физической энциклопедии. Читаем
"Энергия (от греч. energeia - действие, деятельность) - об-
щая количественная мера движения и взаимодействия всех видов
материи. Энергия не возникает из ничего и не исчезает, она мо-
жет только переходить из одной формы в другую (закон сохране-
ния энергии). Понятие энергии связывает воедино все явления
природы.
В соотвествии с различными формами движения материи
рассматриваются разные виды энергии: механическую, внутреннюю,
электромагнитную, химическую, ядерную и пр. Это деление до из-
вестной степени условно. Так химическая энергия складывается
из кинетической энергии движения электронов и электрической
энергии их взаимодействия друг с другом и с атомными ядрами.
Внутрення энергия равна сумме кинетической энергии хаотическо-
го движения молекул относительно центра масс тел и потенциаль-
ной энергии взаимодействия молекул друг с другом. Энергия
системы однозначно зависит от параметров, характеризующих
состояние системы. В случае непрерывной среды или поля вво-
дятся понятия плотности энергии, то есть энергии в единице
объема, и плотности потока энергии, равной произведению плот-
ности энергии на скорость ее перемещения."
Далее: энергия звуковой волны, энергия ионизации, энергия
покоя частицы, энергия связи, энергия электромагнитного поля.
Ну и ладно, подумал я, не привыкать, и раньше учили, по Энгельсу,
о существовании различных форм энергии. Ну если во времена Энгельса
можно об этом было говорить, то увеличение форм энергии с развитием
физики, как то само собой должно подразумеваться. Однако если
"энергия общая количественная мера движения и взаимодействия
всех видов материи" и это "понятие связывает воедино все явления
природы", то тогда почему при такой универсальности понятия,
и несомненной объективности энергии как таковой, деление на
различные формы "до известной степени условно"? И в какой это
степени условность: какова мера этой "до известной степени",
и кому известной? ..... Ну ладно, до известной, та до известной...
А вот попадается на глаза фраза из другого источника
"Научившись различать виды материи (макротела, атом,
электрон и т.п.), формы ее движения (механическая, химическая,
электрическая и т.п.) и виды взаимодействий (элементарные:
ядерные, элеткромагнитные слабые, гравитационные и различные
производные), естествоипытатели и инженеры все чаще стали го-
ворить: "механическая энергия", "электрическая энергия", "хи-
мическая энергия" и т.д. Так стихийно возникло понятие "виды
энергии", которое и в наше время не имеет точного определения."
На деле оказалось, что фраза "до известной степени" просто
означает "не имеет точного определения". Вот оно как оказывается.
Ну хорошо, будем смотреть далее (из физической энциклопедии)
"Теория относительности показала, что энергия тела E нераз-
рывно связана с его массой m соотношением E = m*c^2. Любое те-
ло обладает энергией; если масса покоящегося тела m0, то его
энергия покоя E0=m0*c^2. Эта энергия может переходить в другие
виды энергии, при превращениях частиц (в распадах, ядерных ре-
акциях и т.п.)"
А это из другого источника (причем автор далеко не противник
СТО)
" E0 = m*c^2
E = m*c^2
... еще раз напомню, что согласно первой формуле массе
покоящегося тела отвечает энергия покоя E0, а согласно второй
любое тело с энергией E имеет массу E/c*c. согласно первой
масса тела не меняется при его движении. Согласно второй масса
тела РАСТЕТ С РОТОМ СКОРОСТИ тела. Cогласно первой фотон без-
массов, согласно второй у фотона есть масса, равная E/c*c."
То есть когда мы видим формулу E = m*c^2, то мы должны понимать,
что нам хотят сказать. А нам пытаются сказать, не столько мысль о
неразрывной связи массы и энергии, сколько мысль об энергетическом
происхождении массы.
Ах вот оно в чем дело? Так оказывается, что энергия
есть источник массы и "понятие энергии связывает воедино все
явления природы". А что почему бы нет. Ведь действительно
все очень просто - энергия вот суть вещей. Вспоминаю как-то
смотрел "Парламентский час". И там протулили такую мысль, что
депутатам предлагается рассмотреть новый пакет законов, который бы
регулировал вопросы энергоинформационного взвимодействия. То
есть, чтобы всякие там экстрасены, колдуны и тому подобное "управлялись"
бы цивилизованным образом. Однако главное условие, без которого
новый пакет законов не может быть принят состоял в том, что
нужно изменить взгляд на человека. Нужно наконец-то считать
человека не вещественным объектом, а признать его энергией.
А потом уже на энергетисческий каркас "оседает" вещество.
Вот так то.... Ну что же вроде все складывалось одно ко одному.
Энергия, так энергия. Я еще не понимал, что это то и есть тот
самый энергетизм, за который Оствальд, в свое время получал.
Все сложилось когда наконец-то натыкаюсь на следующее
"Трудности, возникающие перед тем направлением в физике, которое
стремилось объяснить физические движения путем сведения к ненаблюдаемым
непосредственно массам, послужили одной из причин назревающего
кризиса физики, выразившегося, между прочим, и в появлении
направлений проповедующих отказ от объяснения явлений, переход
к их ичстому описанию.
Идея об отказе от объяснения нашла, в частности, свое выражение
в целом течении в физике конца XIX века - так называемом энергетизме.
Энергетики считали, что задачей науки является математическое
выражение данных непосркедственно в опыте отношений. Такая наука
должна отказаться от гипотез, модельных представлений, от всякого
объяснения явлений".
Итак вот круг замкнулся: давнее, давнее
недоумения студента оказалось имеет свое основание. И основание это
есть кризис физики XIX века. Но извините, почему в физике об этом
молчок? Нужно было 12 лет, чтобы с совершенно другой стороны получить
ответ? Да уж как тут не вспомнить высказывание Герца
"......Если мы спросим об истинной причине, почему физика
в настоящее время предпочитает пользоваться при своих рассмотре-
ниях языком учения об энергии, то мы можем ответить на это так:
потому что таким образом она может лучше всего уклониться от
рассуждений о вещах, о которых она так мало знает и которые не
имеют никакого влияния на сущность рассматриваемых положений."
В этом высказывании, фактически выразилась программа нового на
тот момент направления в физике.
Общую оценку энергетизма дает Больцман в следующих весьма ярких
словах: ".... кроме того обнаружилось, что уравнения действительны
для превращений иных форм энергии - электричкеской, магнитной,
лучистой и т.д. одна в другую и что поэтому всюду с одинаковым
результатом может быть произведено разложение энергии на два
сомножителя. Это так воодушевило ряд исследователей, которые
называли себя энергетиками, что проповедовали необходимость
разрыва со всеми до сих пор существовавшими воззрениями, против
которых они выставляли тот довод, что заключение об идентичности
эквивалента тепла и живой силы является ошибочным, как будто в
пользу этой идентичности говорит только тезис об эквивалентности,
а не многое другое.
Новое учение считают единственно правильной исходной точкой
для исследования природы понятия энергии, а разложение ее на два
множителя и связанный с ним вариационный закон - основным законом
природы. Они считают излишним и даже вредным всякие попытки с
механической наглядностью показать, почему энергия принимает
именно эти странные формы и в каждой из этих форм следует
сходным, но опять таки существенно различным законам. Вся физика,
да и все естествознание будущего для них не что иное, как
описание действия энергии; однако, если под энергией понимать
все действующие, то это становится плеоназом."
Ну надо же? И дело даже не в названиях, а в том, как далеко
Больцман то увидел. Но если это было видно в конце XIX века, так
почему же в конце XX века об этом можно узнать только, только
специально потратив силы? Так что, действительно из истории физики
"вытаскивают" только то, что выгодно той или иной группировке?
Ну далее Больцман продолжает "Я знаю, что взяться за проблему
с различных сторон - значит содействовать ее развитию, и у меня
лежит сердце ко всякой оригинальной, вдохновенной научной работе.
Поэтому я пожимаю руку отступникам. Но мне казалось, что энергетика
часто обманывает себя поверхностными, чисто формальными аналогиями,
что ее законы недоставало отчетливого и ясного изложения, обычного
для классической физики, ее заключениям - выработанной классической
физикой строгости, что она отбросила из старого многое хорошое
и даже необходимое науке."
"Больцман показывал, что глава энергетической школы Оствальд,
пытаясь вывести основные уравнения механики из принципов энергетики,
совершенно явные ошибки."
То есть, оказалось, что рассматривая энергию какпервичное
понятие, энеогетической школе не удалось получить из основных
положений, которые были положены в фундамент энергетической
концепции получить уравнения механики. Вот оно как... Но если
так, тогда должен был найдет другой путь. Как же можно обвиняя
в мехничстичности подходы Гельмгольца, Герца, Больцмана, не
получить то, что уже было получено с помошью развитых ранее
способов. А оказалось, что были и другие попытки. А когда я
прочитал, что это были за попытки, вот тут-то я понастоящему
призадумался. В самом деле, что напрашивается в качестве логичного
пути в рамках энергетического направления? Ну кончно же закон
сохранения энергии. Да я и сам, когда только подключился к дисскусии
о "двух скрижалях тайного завета, полученных Моисеем от Бога",
считал, что опираясь на закон сохранения энергии можно получить
все необходимые уранения. И решение это мне казалось настолько
логичным, что я не попытался подобное проделать сам. А в самом
деле - раз первична энергия, то логично, что из закона ее
сохранения можно все уравнения и получить. Ну и что, что в учебниках
ничего подобного не встречал? Значит это настолько видно, что
уже давно кем-то проделано. И с такими мыслями оставлял попытки
до неопределенного срока. Но оказывается, что не все так просто
"...Попытки энергетического обоснования механики сводятся к получению
дифференциальных уравнений движения из закона сохранения энергии
T+V=h "
Однако это обоснование оказалось справедливо для частного случая.
Когда "между координатами имеются уравнения связи" предлагаемое
обоснование не проходит. То есть, когда нужно обосновать для более
менее реалистичных взаимодействи, это обоснование, оказывается не
проходит. Вот тут-то пришлось и призадуматься.... Но продолжим
"Хельм (1851-1923) пытался спасти положение с помощью вариационного
метода, придав закону сохранения энергии" соответсвующий вид. Однако,
оказалось, что те изменения, которые делали энергетики, и те
изменения, которые позволяли получить уравнения механики, фактически
были дополнениями, носящими формальный характер, не имеющими
"физического смысла".
То есть, что имело место на рубеже веков в физике?
Гельгольц пытался построить теорию теплоты, опираясь на механические
понятия. В конечном итоге ему удалось получить термодинамические
соотношения, то есть показать как из обратимых уравнений механики
можно получить необратимое соотношение термодинамического типа, то
есть второй закон термодинамики. Но это ему удалось за счет введения
ненаблюдаемых, скрытых механических движений. За это он получил
обвинение во введении "непознаваемых сущностей". А так как Герц
сильнейшим образом опирался на идеи Гельмгольца, то несмотря на
четкую картину, которую удалось построить Герцу, он беря за основу
идею о скрытых движениях, фактически попадает под ту же критику.
Далее Больцман, пытаясь обосновать через механическое движение
теплоту, получает все же обоснование энтропии, но его подход
не получает должной поддержки. Возникает кризис, из которого
предлагают выход энергетики. Однако это выход возможен лишь с
с приданием энергии особого статуса. Энергия получила такой
статус. А вместе с ней и законы термодинамики. Однако, энергетика,
опираясь на свой фундамент, не смогла дать обоснование механике,
но статус энергии, отстается тем, какой был получен в при
"энергетической революции" во взглядах физиков.
Так что же теперь - новый кризис? Прав Вашкевич - и надо
менять парадигму и - мастдай первый закон термодинамики?
Вопрос, лично для меня, неоднозначный! Может кто еще желает
высказаться?
А для желающих высказаться еще немного информации.
1) "Понятие "энергия" стало постепенно выделяться из многоз-
начного понятия "сила", когда "движущая сила огня" начала
использоваться в паровых машинах, где тепло от сжигаемого угля
превращалось в механическую работу поршня, который перемещался
под давлением пара. Незадолго до этого интенсивность движения
тел оценивали "живой силой" - произведение массы тела m на
квадрат скорости v его движения mv^2. Одним из первых в 1807
г. термин "энергия" применительно к живой силе стали использо-
вать английский ученый Т.Юнг. В 1829 г. француз Г.Кориолис
уточняет выражение живой силы поделив его пополам - mv^2/2.
Позже энергию движущейся системы, например камня или га-
за, стали называть кинетической, а энергию системы, приведен-
ной в "напряженное" состояние, которое позволяет получить дви-
жение, хотя такового пока и нет - камень поднят над землей,
газ сжат в баллоне, - потенциальной."
То есть исторически понятие энергии не может быть причислено
к первоначальным понятиям. Разве не так?
Далее " Согласно классической физике, энергия любой системы
меняется непрерывно и может принимать любые значения. Квантовая
теория утверждает, что энергия микрочастиц, движение которых
происходит в ограниченном объеме пространства (напр., электро-
нов в атоме), принимают дискретный ряд значений. Так, атомы
испускают электромагнитную энергию в виде дискретных порций -
световых квантов, или фотонов."
И здесь энергия есть функция от движения - то есть ее
форма и характер есть функция отношений между атомами.
"Энергия звуковой волны - добавочная энергия среды, обуслов-
ленная наличием звуковых волн"
А здесь вообще открыто - энергия обусловлена наличием
в среде звуковых волн, механических волн.
"Энергия ионизации - минимальная энергия, необходимая для
отрыва электрона (ионизации) от атома, иона или молекулы, на-
ходящихся в основном энергетическом состоянии."
А здесь энергия - так просто работа сил на отрыву электрона
от атома.
"Энергия покоя частицы - энергия частицы в системе отсчета,
в которой она покоится: E0=m0*c^2, где m0 - масса покоя части-
цы."
Здесь, при правильной трактовке соотношения, энергия
есть функция от массы.
"Энергия связи - минимальная энергия, необходимая для разде-
ления системы на составляющие ее части; определяется взаимо-
действием между частицами, входящими в систему. Для устойчивых
систем энергия связи характеризуется прочностью системы: чем
больше энергия связи, тем прочнее система."
Здесь опять же энергия - это есть работа необходимая для
разделения на части, механического разделения.
"Энергия электромагнитного поля - количественная характе-
ристика элетромагнитного взаимодействия. Величина энергии
элемтромагнитного поля может быть установлена на основании из-
мерений работы, производимой электомагнитным полем (силой Ло-
ренца) над носителями электрических зарядов."
А здесь прямо пишется, что это работа.
И вот еще одна мысль,
"Принцип наименьшего действия в той новой, по существу, форме,
которая была дана ему Гамильтоном и Гельмгольцем, стал важнейшим
законом физики, о котором говорил М.Планк (1858-1947) в своих
лекциях по теоретической физике: "Все обратимые процессы, будь они
по природе механического, электро-динамического или термического
характера, - все они подчинены одному и тому же принципу, дающему
однозначный ответ на все вопросы, касающиеся этого процесса. Этот
закон не есть принцип сохранения энергии, который хотя и приложим
ко всем явлениям, но определяет их ход не однозначно: это - принцип
более общий - принцип наименьшего действия"
И еще одна мысль. Герц предложил свой принцип наипрямейшего пути,
из которого получил дифференциальные уравнения прямейшего пути.
Из этих уравнений получены уравнения Лагранжа первого и второго
рода для свободной системы. То есть уравнения, которые можно получить
из принципа наименьшего действия путем его расширения, у Герца эти же
уравнения получаются при применении с уравнению прямейшего пути
дополнительных ограничений. Кроме того, как писал Макс Планк принцип
наименьшего действия позволяет получать описание для обратимых
процессов. Но именно для обратимых процессов и справедлив закон
сохранения энергии всегда. А для необратимых процессов? Вот я
теперь и не знаю.
Я повторю вопрос - может кто-то еще желает высказаться?
Георгий