Р. Майер исходил из медицинских наблюдений и рассматривал различные виды энергий. Он установил, что взятая из плечевой вены кровь на о. Ява имеет поразительно яркую окраску, тогда как обычно венозная кровь очень темная. Для поддержания температуры человеческого тела образование теплоты в нем в результате процессов окисления должно находиться в некотором количественном соотношении к потере им теплоты, а значит также к температуре среды. Поэтому получается, что разность окраски обоих видов крови должна быть в жарком поясе слабее, чем в более холодных странах. Физиологические процессы обусловлены, по Майеру, не таинственной жизненной силой, а физико-химическими процессами, подчиняющимися закону сохранения и превращения энергии. Майер рассматривает следующие виды энергии: кинетическую (живая сила движения); потенциальную (сила падения); механическую (механический эффект); тепловую, электрическую, химическую (силы). Он считал, что все эти виды могут взаимопревращаться при условии неизменности общего количества энергии. Он полагал также, что жизнь на Земле, круговорот воды, движение воздушных масс - все это обеспечивается, в конечном счет, энергией солнечных лучей. «…. Природа поставила перед собой задачу поймать на лету льющийся на Землю свет и накопить самую подвижную силу, приведя ее в неподвижное состояние. Для достижения этой цели она покрыла земную кору организмами, которые, живя, поглощают солнечный свет и при использовании этой силы порождают непрерывно возобновляющуюся сумму химических различий. Этими организмами являются растения…».
Переход исследований на теоретический уровень создал предпосылки для объединения найденных ранее разрозненных законов поведения газа - появляется уравнение Б Клапейрона. Сам Клапейрон в то же время придерживался вещественной теории теплоты. Следующий шаг - превращение термодинамики в относительно завершенную физическую теорию - связан с такими именами, как У. Томсон (Кельвин), Р. Клаузиус, К. Крениг, Дж. Максвелл. Исходные принципы и понятия термодинамики необходимо было объяснить, исходя из господствующей механической картины мира. Так, Крениг впервые рассмотрел модель газа как совокупность хаотически движущихся молекул, уподобленных упругим шарикам. Чтобы облегчить математическое описание таких систем, Крениг вводил упрощающее предположение: приписывает всем молекулам одно и то же значение скорости, равное среднестатистическому в предположении, что каждая треть молекул движется параллельно каждой из осей координат. Таким образом, картина хаотического движения молекул заменялась картиной вполне упорядоченного движения, представлявшего усредненные характеристики реального движения молекул. На самом деле такая замена искажала важные специфические особенности молекулярного движения. Тем не менее, Кренигом были получены ценные результаты, в частности, был выведен объединенный газовый закон Клапейрона. Но в уравнении, полученном Кренигом, место абсолютной температуры занимала кинетическая энергия. Этот важный в теоретическом смысле результат свидетельствовал о том, что понятия давления и температуры не могут считаться первичными, исходными и что с позиций механической картины мира, примененной к объяснению свойств газов, они получают свое истолкование: давление как суммарный результат ударов движущихся молекул о стенки сосуда, а температура - как проявление кинетической энергии этих же молекул.
Свои взгляды на теорию газов изложил и Р. Клаузиус. Используемые им представления получили в истории физики название молекулярно-кинетических. Это общий метод построения теоретических моделей для газов, жидкостей и твердых тел, основанный на изображении их в виде системы большого числа движущихся и взаимодействующих материальных точек, отождествляемых с атомами и молекулами. Теория Клаузиуса, таким образом, отвергала существование теплорода.
Значительный вклад в развитие кинетической теории тепла и кинетической теории газов внес и русский ученый М. Ломоносов (1711 - 1765 г.г.). Связывая теплоту с вращательным движением молекул, он для объяснения свойств газов вводит силы отталкивания, возникающие по его представлению, при взаимодействии вращающихся «волчков». Однако эти идеи не были восприняты научными сообществами тех времен, и на протяжении почти целого столетия господствовали представления о вещественной природе теплоты.
Клаузиус был по-своему прав, указывая, что молекулярно-кинетические представления не соответствовали даже к середине 19 века господствовавшим взглядам. К тому же распространение этих представлений и после 50-х годов 19 века происходило отнюдь не гладко и вызывало весьма значительные разногласия.
Именно Клаузиус вводит более сложные представления о формах движения молекул: кроме поступательного движения они обладают вращением, могут испытывать колебания относительно положения равновесия в твердом теле, каждая молекула обладает и внутренними движениями. В газе все направления движения считались равновероятными, и Клаузиус не пытается найти закон распределения молекул по скоростям. В своих расчетах он, как и Крениг, условно приписывает всем молекулам одинаковые значения скорости, соответствующее среднему статистическому.
Вопросы о характере движения молекул были глубоко разработаны Дж. Максвеллом (1831 - 1879 г.г.) «… Легко увидеть, - писал он, - что, если столкновения имеют место для очень большого числа молекул, то их скорости станут различными, даже если они первоначально равны…». При этом Максвелл опирался на следующее важное утверждение: хотя скорость каждой молекулы будет существенно меняться при каждом ее столкновении с другой, число молекул, входящих в ту или иную группу, будет стабильным. А это и означало, что прослеживать судьбу каждой отдельной молекулы нет необходимости, даже если бы это было технически возможно. Если задать определенное направление скорости, то разброс количественных значений скоростей молекул будет подчинен такому же закону, что и рассеяние пуль при стрельбе в цель или разброс ошибок при измерении некоторой величины, то есть закону случайных событий.
Успехи молекулярно-кинетической концепции были не только значительны, но и поучительны. Но не все в ее истории было легко и гладко. Введение в физику молекулярно-кинетической концепции вызвало в 19 веке острые споры и разногласия, в ходе которых были поставлены под вопрос как сам метод, так и положенные в его основу исходные физические допущения. Острые и полные драматизма споры наложили отпечаток на судьбы физики и физиков. Не без влияния острых разногласий и раскола среди физиков Л. Больцман, страстный защитник и приверженец молекулярно-кинетической концепции, многие годы не чувствуя поддержки и понимания своих взглядов, в 1906 г. покончил жизнь самоубийством.
Молекулярно-кинетическая концепция с самого начала имела принципиально иную методологическую основу, она раскрывала реальную структуру вещества и внутренний механизм процессов, происходящих в газах, жидкостях, твердых телах. Тем не менее, гипотеза о существовании атомов и молекул имела весьма влиятельных противников вплоть до начала 20 века. С молекулярно-кинетической концепцией конкурировала так называемая аксиоматическая термодинамика. Теоретические и практические успехи аксиоматической термодинамики были весьма велики. На ее основе любые процессы получали теоретическое обоснование с опорой на закон сохранения энергии. Возникала перспектива построения всей физики на базе термодинамики, т.е. перехода от механической картины мира к термодинамической. Многие физики стали в связи с этим говорить, что начинается новый этап развития физики - на смену физике механической приходит будто бы физика энергетическая. Сложившуюся ситуацию использовали представители махизма, утверждавшие, что из физики надо выбросить всякие упоминания об атомах и молекулах, как вообще о материи. Таким образом, на фоне широкого спектра принципиальных разногласий в научном сообществе того времени физика атомистическая (основывающаяся на методе структурных теоретических моделей) столкнулась с физикой энергетической (на основе общих принципов). Это была одновременно и борьба двух альтернативных линий в выборе направления дальнейшего развития физической картины мира.
Как не раз случалось в истории физики, был предложен и формальный, постулативный путь: не вдаваясь в конкретный механизм причинных связей, указать те постулаты, которые необходимы, чтобы обосновать возникновение статистических закономерностей в системах, отдельные элементы которых подчинены динамическим законам механики. Эти постулаты известны в истории как постулаты Крылова. Их содержание приводит к выводу, что независимо от начального состояния (или любого другого) каждая система приходит с наибольшей вероятностью к равновесному состоянию. Это означает, что существуют общие закономерности поведения систем из многих частиц, не зависящие от конкретного начального состояния отдельных молекул. В связи с этим становится понятным, что в детальном знании движения каждой отдельной молекулы просто нет необходимости, поскольку общее интегральное поведение системы не определяется начальными условиями, присущими отдельным молекулам. Сказанное означает также, что данные постулаты не могут быть выведены из законов классической механики, применяемых к движению отдельных молекул.
Вскоре было установлено, что сложные динамические системы обладают самодетерминацией - их поведение полностью определяется внутренними связями и взаимодействиями. Благодаря самодетерминации такая система находится в состоянии подвижного, динамического равновесия. В системах с самодетерминацией устойчивость возникает благодаря эффекту обратных связей: при отклонении от устойчивого состояния возникают процессы, возвращающие систему в это состояние. Такого рода процессы обусловлены тем, что в системах с самодетерминацией и динамичным равновесием существенны не только элементарные взаимодействия, но и совокупность системных связей в целом. Применяя это общее свойство систем с динамичной устойчивостью к случаю поведения газа в замкнутом объеме, можно сказать: возникновение малых (микроскопических) флуктуаций есть необходимое следствие хаотического движения молекул, но каждая такая наметившаяся флуктуация создает локальный процесс обратного действия (обратную связь), ведущий к рассасыванию этой флуктуации. Другими словами - флуктуации - это не только отклонения от равновесного состояния в локальных областях, но и тот механизм, действие которого возвращает систему к состоянию, близкому к равновесному (это состояние разрушается новыми флуктуациями). И именно по этой причине макроскопические флуктуации принципиально невозможны, тогда как микроскопические возникают с необходимостью.
Таким образом, применить механическую картину
мира для создания объясняющей теории газов удалось лишь ценой существенного
изменения представлений о детерминизме. Введение статистических законов, хотя
оно оказалось первоначально лишь условным приемом, в конечном счете обернулось
рождением нового взгляда на содержание физической картины мира: перед взором
физиков стал открываться мир вероятностных процессов. На первых порах это был
еще мир материальных точек, движущихся в пространстве с течением времени. Но
характер связи между ними уже требовал иного представления, чем ранее.
Произошел принципиальный сдвиг в физической картине мира. Ее теперь правильнее
было бы называть вероятностно-механической. Создание физической теории,
опирающейся на измененную в некоторых принципиальных моментах физическую
картину мира, правомерно, видимо, считать частной революцией в физике. При этом
подтвердилось и конкретизировалось предвосхищенное в общих чертах Галилеем
представление о сложности структуры отношения субъекта к познаваемому объекту:
внешние проявления процессов необходимо выводить из представлений об их
внутренней сущности, непосредственно не наблюдаемой. Таким образом, сущность
данного уровня познания природы предстала как молекулярная структура движущейся
материи со статистическим типом детерминизма. История развития представлений о
тепловых процессах в газах достаточно убедительно показывает, что процесс
рождения новых научных знаний включает в себя, по меньшей мере, три основных
этапа: 1) установление серии разрозненных эмпирических обобщений и законов; 2)
формальное объединение частных законов в обобщенный; 3) разработка образов
новой физической картины мира.
Электромагнитная картина мира
Картина непрерывного распределения средних величин, о котором говорила молекулярная теория и классическая электродинамика, была необходимой исторической подготовкой картины непрерывного распределения переменных реального поля - представления, фигурировавшего в электродинамике Фарадея-Максвелла.
До Фарадея (Майкл Фарадей 1791 - 1867 г.г.) и Максвелла понятия реального поля, можно сказать, вообще не существовало. Упругий эфир полем не являлся, а силовые поля, фигурировавшие в теории тяготения, в электростатике и магнитостатике, не рассматривались как реальная среда. В физике 18-19 в.в. подготовка понятия реального поля происходила двумя путями. Во-первых, механические концепции эфира сталкивались с противоречиями, и это расчищало путь немеханическому представлению о среде, как реальном силовом поле. Во-вторых, к такому представлению вело развитие формальной концепции поля. Эти две линии пересекались в работах Максвелла.
В кинетических моделях эфира рисовали смещения его частиц. Эфир подобно любому другому веществу был чем-то движущимся: его элементам можно было приписать вектор скорости. У Фарадея смещения эфира были заменены динамическими деформациями. Но он пошел и дальше, отождествляя среду, передающую взаимодействие зарядов с силами, придав тем самым силам новый смысл. Более того, Фарадей низвел заряды до ранга вторичных образований. Эта идея не вытекала однозначно из опытов, но она была связана с ними - отчасти обобщала имевшиеся данные, выходя за их рамки, отчасти предвосхищала новые опыты.
Изложенная теория не принесла бы победы идее близкодействия, если бы Фарадей не открыл новой области электрических явлений. Как известно, статические электрические и магнитные поля могут быть описаны как с точки зрения дальнодействия, так и в свете учения об эфире при помощи одного и того же математического аппарата - дифференциальными уравнениями, не включающими зависимости от времени.
Принцип действия на расстоянии был систематически применен к объяснению электрических явлений во второй половине 18 века. В 1759 году Эпинус (1724 - 1802 г.г.) стал рассматривать электрическое притяжение и отталкивание как силы, действующие на расстоянии, подобно ньютонову тяготению. Началом математической разработки электростатики был закон взаимодействия электрических зарядов. Он был найден Пристли (1733 - 1804 г.г.) и независимо от него Кавендишем (1731 - 1810 г.г.) в 60-70-е годы 18 века. Но закон носит имя Кулона (1736 - 1806 г.г.), который подтвердил его непосредственными измерениями. Этот закон стал исходным пунктом математической разработки электростатики. Ее основные задачи сводятся к следующему. Дана система проводников, несущих заданное количество электричества. Нужно вычислить, как распределится заряд и какие силы притяжения и отталкивания возникнут между зарядами. Эти задчи решались с помощью дифференциальных уравнений, описывающих непрерывное изменение напряженности электрического поля от точки к точке. Величина, связанная с непрерывно меняющейся напряженностью - потенциал - стала центральным понятием электростатики. Теория электрического потенциала опиралась на дифференциальные уравнения и рассматривала бесконечно малые приращения напряженности от одной точки к другой, непосредственно к ней примыкающей. Подчеркнем, что непрерывный характер указанной основной для электростатики величины не означает еще, что электростатика превратилась в теорию близкодействия, что в теорию электричества вошло представление о действии через некоторую непрерывную физическую среду. Без элементов, указывающих зависимость от времени, дифференциальные уравнения могут оставаться математическим аппаратом теории дальнодействия.
М. Фарадей экспериментально показал, что в зависимости от той или иной среды меняется сила притяжения или отталкивания зарядов. В пустоте она больше всего, а в других средах меньше, причем, каждому диэлектрику соответствует постоянная величина, которая должна войти в формулу закона Кулона. Это - диэлектрическая постоянная. Промежуточная среда характеризуется постоянной магнитной проницаемостью. Понятие магнитной проницаемости было введено на основе многочисленных опытов. Фарадей стремился показать, что полюсы магнитов в некоторой степени действуют на всякую среду. Для этого он подвешивал различные немагнитные материалы под полюсами сильных магнитов. В конце концов ему удалось доказать, что магниты действуют на все тела, причем некоторые из них под влиянием магнита располагались перпендикулярно его оси. Такие тела Фарадей назвал диамагнитными, а обычные магнитные тела он впоследствии назвал диамагнитными.