65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Первым из физиков, кто догадался, как это сделать, был английский ученый Томас Юнг (1773–1829). Он в 1803 году придумал довольно хитрый способ получения когерентных источников света. Если невозможно получить интерференционную картину от двух разных лампочек, то давайте получим ее от одной. Для этого луч света, идущий от одной лампочки (или любого другого источника), пропустим через непрозрачный лист с двумя щелями. После этого листа каждая из щелей будет выступать как отдельный источник света, и мы сможем увидеть на противоположном экране, как будут накладываться волны, идущие от каждой из щелей. Поэтому эксперимент получил название двухщелевой.
Тут важно отметить, что для проведения этого эксперимента необходимо, чтобы ширина этих щелей была очень мала и они были расположены очень близко друг к другу. Поэтому сделать это в домашних условиях весьма проблематично. Но если нам все-таки это удастся, то что мы увидим на экране? Если свет не обладает волновой природой, то мы увидим просто две светлые полосы напротив каждой из щелей. Но если же свет – это волна, то на экране должна возникнуть интерференционная картина: чередование линий минимума и линий максимума, т. е. темных и светлых полос. Юнг был очень аккуратным экспериментатором, и ему удалось соблюсти все необходимые условия. В результате своих наблюдений он получил интерференционную картину от двух щелей и доказал, что свет – это волна. А Максвелл теоретически доказал, что это волна именно электромагнитная.
Однако такое представление о волновой природе света в физике просуществовало недолго – чуть менее 100 лет. В самом конце ХIХ века Макс Планк, пытаясь объяснить механизмы теплового излучения, полностью перевернул классические представления о том, что собой представляет свет, и заложил основу новой научной парадигмы – квантовой механики. Но об этом мы поговорим в главе «Что такое кванты и зачем они нужны?» (стр. 143).
Еще один раздел классической физики – термодинамика. Изначально она возникла как эмпирическая (т. е. чисто экспериментальная) наука, изучающая тепловые явления. Благодаря термодинамике люди научились преобразовывать тепловую энергию в полезную работу и построили такие полезные механизмы, как паровозы, пароходы, двигатели внутреннего сгорания автомобилей и много чего еще. Термодинамика помогла объяснить, из-за чего дует ветер, как меняется влажность воздуха и на что это влияет, а также дала возможность составлять довольно точные прогнозы погоды (хотя бы на несколько ближайших дней). А еще термодинамика позволяет описать поведение даже таких экзотических объектов, как черные дыры[28]. Термодинамика оперирует различными физическими величинами, среди которых давление, температура и энтропия. Давайте разберемся, что это такое, как их измеряют и как они связаны между собой.
Часть 3
Термодинамика
Вопрос 20. Что такое температура?
Ну и, конечно, первое, с чего мы начинаем изучение тепловых явлений, это понятие температуры. Потому что температура как раз и характеризует меру нагретости тел. У холодных тел она низкая, у горячих высокая. Интуитивно вроде понятно, но только до тех пор, пока мы не начали более детально разбираться с этим понятием.
Давайте проведем такой эксперимент[29]: возьмем три емкости с водой. В одну емкость нальем горячую воду (только не слишком горячую, чтобы не обжечься), во вторую нальем воду комнатной температуры, а в третью – ледяную воду (можно даже бросить туда несколько кусочков льда). Затем поместим на одну минуту указательный палец левой руки в горячую воду, а указательный палец правой руки – в ледяную. После чего оба пальца переместим в воду комнатной температуры и понаблюдаем за своими ощущениями.
Что вы почувствуете? Палец левой руки, который до этого находился в горячей воде, подаст вам сигнал, что вода во второй емкости прохладная. А вот для пальца, перемещенного из ледяной воды, вторая емкость покажется чуть ли не горячей. Возможно, вы даже ощутите характерное покалывание. Так какая же на самом деле вода во второй емкости: горячая или холодная? Доверяться своим ощущениям в этой ситуации будет совершенно ошибочно (тем более что сигналы от разных пальцев вообще противоречат друг другу). Значит, нужен какой-то более объективный способ определения температуры. И физики его изобрели.
Основан этот способ на явлении теплового расширения. Оно заключается в том, что все тела при нагревании расширяются, т. е. увеличиваются в объеме, а при охлаждении уменьшаются (почему так происходит, мы поговорим чуть позже). Тепловое расширение зависит от химических связей в веществе, типа кристаллической решетки, пористости и других характеристик. Этот эффект не так сильно заметен в обычной жизни, потому что привычные нам предметы при изменении температуры меняют свои размеры очень слабо. Однако для достаточно больших тел тепловое расширение уже будет существенным. Поэтому в технике и строительстве обязательно приходится учитывать эти эффекты. Например, 10 км железнодорожного полотна при нагревании на 10 °C удлиняется примерно на 1,2 м. Поэтому при укладке рельсов между ними оставляют небольшие зазоры, из-за чего мы слышим стук колес поездов. Аналогично, при строительстве мостов их составляют из отдельных секций, которые соединяют специальными термическими буферными сочленениями, которые позволяют компенсировать тепловое сжатие и расширение и предотвратить разрушение конструкции.
Тепловому расширению подвержены не только твердые тела, но и жидкости. Поэтому их можно использовать для создания хорошо знакомых нам жидкостных термометров.
На кончике термометра располагается емкость с жидкостью. При нагревании эта жидкость расширяется и поднимается вверх по тоненькой трубочке-капилляру. Так мы фиксируем повышение температуры: чем выше поднялась жидкость, тем выше температура. При охлаждении жидкость сжимается и столбик термометра, соответственно, опускается.
Осталось только задать шкалу измерения – отметить на столбике термометра, где ноль градусов, где десять, а где сто. И вот тут ученые разошлись во мнениях. К середине XVIII века насчитывалось уже около 30 (!) различных температурных шкал. Кто-то выбирал в качестве нуля температуру таяния сливочного масла, кто-то – температуру самого жаркого дня в Италии, а кто-то – температуру самого глубокого подвала Парижской обсерватории. Но гораздо удобнее принять за ноль градусов что-то более универсальное и объективное. Например, температуру замерзания воды. А за 100 градусов – температуру кипения воды. Если разделить это расстояние на 100 равных отрезков, то цена каждого такого деления будет ровно один градус. Таким образом мы получим хорошо знакомую нам шкалу Цельсия[30].
Но есть и другая шкала температур – шкала Фаренгейта. Историки науки
