Теория относительности Эйнштейна также знаменита формулой E = mc2, согласно которой масса и энергия соотносятся и могут трансформироваться одна в другую. Это перекликалось с идеями Маха и, казалось, противоречило концепции Больцмана. Тот факт, что два наблюдателя могут получить разные результаты измерения в зависимости от скорости, стал вызовом для недавно зародившейся квантовой механики. Это было связано тем, что сама энергия частицы также зависела от скорости, на которой наблюдатель двигается относительно нее. Из-за соответствия между массой и энергией одна и та же масса частицы, казалось, меняется, когда ее наблюдают с позиции различных скоростей; действительно, если переместиться с достаточно большой скоростью относительно нее, то этой энергии будет достаточно, для того чтобы создать одну или более частиц той же массы. То есть там, где один наблюдатель видит только одну частицу, другой может увидеть тысячи, в зависимости от их относительных скоростей.
Это условие было очень сложно применить к квантовой механике, которая основывалась на так называемом уравнении Шрёдингера, предложенном им самим для описания поведения электронов и атомов, которое относилось только к одной частице. Решение пришло с введением понятия "поле". Поле — это некая абстрактная сущность, которая распространяется по пространству и которая сначала ассоциировалась с неким типом силы. Идея поля была разработана, чтобы преодолеть ньютоновское понятие действия на расстоянии, которое вызывало некоторое философское беспокойство у ученых с момента его появления. Вместо него было высказано предположение, что тело (например, Земля) создает вокруг себя нечто, называемое "гравитационным полем", невидимую сущность, которую можно было наблюдать только по тому действию, которое она производила на другие тела, погруженные в него. Любой объект внутри гравитационного поля Земли чувствует на себе силу притяжения к планете, которая зависит от его расстояния до ее центра.
Другое классическое поле (в том смысле, который имелся до развития квантовой механики) — это электромагнитное поле. Магнит создает магнитное поле вокруг себя, и его действие изменяет ориентацию всех магнитов в нем; точно так же электроны в атоме вращаются вокруг ядра, благодаря действию электрического поля, которое создают его протоны.
Квантовая механика взяла классическое понятие поля и приспособила его к новой реальности, где энергия дискретна, а поведение материи вероятностно. В этом новом свете частицы стали считаться маленькими возбуждениями поля, имеющими некоторые характеристики (такие как масса или заряд), определенными самой квантовой природой поля. Электромагнитное поле, например, порождает фотоны, частицы, которые каким-то образом передают электрическую силу и должны рассматриваться не как фундаментальные сущности, а как выражение лежащего в основе электромагнитного поля, которое проявляется в маленьких возбуждениях, ведущих себя как частицы.
После этого концептуального скачка другие сущности объединились в понятии поля. Сами электроны были описаны как возбуждение другого поля, окрещенного "полем Дирака", поскольку его открыл английский физик Поль Дирак (1902— 1984). Его теория также предсказывала существование другой частицы, которую он назвал "позитрон", поскольку это была копия электрона с противоположным зарядом. Никто не воспринимал это всерьез, пока в 1932 году ее не открыл Карл Андерсон (1905-1991), что дало стартовый сигнал квантовой механике полей, которая сегодня превратилась в большого теоретического монстра под названием "стандартная модель", это наиболее успешная когда-либо существовавшая физическая теория; ее самая недавняя победа — открытие в 2012 году бозона Хиггса, частицы, которая необходима для правильной работы теории и которую до того дня не могли наблюдать.
В сегодняшней картине спор Больцмана — Маха дает ничью: с одной стороны, Мах был прав, утверждая, что любая материя — это энергия, и даже в некотором смысле отрицая существование атомов (по крайней мере в качестве основополагающих конструктов); с другой стороны, Больцман был прав, представляя материю в несколько квантизованном виде, не непрерывной, а дискретной, и рассматривая теорию вероятностей в качестве отправной точки. Можно сказать, что на самом деле в споре победили факты, и природа оказалась намного более утонченной, чем мог предположить какой-либо ученый XIX века.
Но зато становится ясно, что вся физика XX и даже XXI века несет в себе наследие Больцмана: живы его методы и его идеи в сфере термодинамики; живы споры, которым он посвятил себя, и его тонкие догадки о природе времени. Также живы достижения поколения великих физиков и химиков, которых он обучал и чьи имена постепенно появлялись в этой книге. Больцману не удалось преодолеть неврастению, и он сдался, как раз когда мог бы начать наслаждаться своим вкладом; можно сказать, что ему не удалось пережить самого себя. После него остались семья, научное наследие и боль, большая, чем он сумел вынести. После этого полноватого жизнелюба осталось намного больше, чем надгробие с выбитой на нем формулой: осталась научная работа, наводящая на размышление и (почему бы и нет) вызывающая улыбку.
Список рекомендуемой литературы
Atkins, Р., Las cuatro leyes del universo, Barcelona, Espasa, 2008.
Boltzmann, L., Escritos de mecdnica у termodindmica, Madrid, Alianza Editorial, 1986.
Carnot, S., Reflexiones sobre el poder motriz del fuego, Madrid, Alianza Editorial ,1987.
Carroll, S., From eternity to here: the quest for the ultimate theory of time, Nueva York, Dutton, 2009.
Gamow, G., Biografta de la ftsica, Madrid, Alianza Editorial, 2007.
Gribbin, J., Historia de la ciencia, 1543-2001, Barcelona, Critica, 2003.
Kuhn, T.S., La estructura de las revoluciones cientificas, Madrid, Fondo de culture economica, 1981.
Penrose, R., Ciclos del tiempo: una extraordinaria nueva vision del universo, Barcelona, Debolsillo, 2011.
Sanchez Guillen, J., L.E. Boltzmann, el cienttfico que se adelanto a su tiempo, el hombre que lo vivio intensamente, Zaragoza, Prensas Universitarias de Zaragoza, 2009.
Schneider, E.D. y Sagan, D., La termodindmica de la vida: ftsica, cosmologia, ecologta у evolucion, Barcelona, Tusquets, 2008.
Указатель
Н-теорема 13, 50, 56, 61, 64, 73
Авогадро число 45
аксиоматизация 110
антропный принцип 135, 136
Аррениус, Сванте 9, 71, 113
атомная теория 8, 9,11, 12, 13, 19, 29, 31-35, 37, 40, 56, 73, 105, 108, 126, 130, 146
Бернулли, Даниил 42, 44
беспорядок 8, 9,65, 90, 91, 94, 133, 140
Бойль, Роберт 21, 22
Больцман Артур 95
Ида 95, 122
Людвиг Хуго 13, 95, 102
Эльза 95, 125
Больцмана принцип 90
распределение 13, 48, 57, 59, 64, 79, 82, 84, 85, 87, 89, 91, 112
уравнение 13, 35, 42, 56, 59-61, 90, 108
больцмановский мозг 138-141, 145
Большое сжатие 144, 145
Большой взрыв 63, 142-145
броуновское движение 147
Бунзен, Роберт 54, 55
Бунзена горелка 55
вечное возвращение 109, 110
временная асимметрия 58, 131, 134, 135, 140-146
Гаусс, Карл Фридрих 48
Гей-Люссак, Жозеф Луи 22, 24, 28
Гельм, Георг Фердинанд 106, 108
Гиббс, Джозайя Уиллард 89
Голд, Томас 143, 144
Голда вселенная 144 Гук, Роберт 22
Дарвин, Чарльз 9, 11, 106, 119, 120
двойной временной стандарт 134, 136
Джоуль, Джеймс Прескотт 21, 26-28, 30
Дирак, Поль 152
Дирака поле 152
дискретизация 64, 82, 84, 147, 148
длина свободного пробега 44
Доплер, Кристиан 38, 39
живая сила 82, 84, 85
закон сохранения энергии 26, 30, 33, 106
значение соответствия 31, 42
Институт физики на улице Эрдберг 38-41
Карно, Николя Леонар Сади 20, 23-26, 29, 30, 32, 42, 43
