(Продолжение. Начало см. здесь)
Статистическая физика
Попытку спасти положение предпринял австрийский ученый Больцман в конце 19-го века. Больцманом была создана статистическая физика, которая как раз и связала вместе классическую механику Ньютона и термодинамику.
Центральным в статфизике Больцмана является понятие о флуктуациях и о зависимости этих флуктуаций от температуры. Чем больше температура, тем больше средняя амплитуда флуктуаций. Если температуру устремить к нулю, то все флуктуации обращаются в ноль и статистическая физика полностью переходит в классическую механику. Таким образом статфизика Больцмана это как бы ньютоновская механика с флуктуациями. При этом с помощью разного рода усреднений из статистической физики удается получить все основные соотношения термодинамики (закон Бойля-Мариотта, закон Гей-Люсака и др.). Из статистической физики естественным образом получается закон неубывания энтропии в замкнутой системе.
Чтобы это было более понятно, приведу такую аналогию. Представьте себе броуновскую частицу в стакане воды. Такая частица не падает на дно стакана и находится постоянно во взвешенном состоянии хаотично перемещаясь по всему объему стакана с водой. Сила тяжести, конечно же, действует на такую частицу, но флуктуации не дают частице упасть на дно стакана.
Что теперь произойдет если мы будем уменьшать отношение температуры к массе частицы?
Чем меньше температура воды и чем больше масса частица, тем больше скажется влияние силы тяжести. При некотором соотношениии температуры и массы частицы, частица уже не будет находиться во взвешенном состоянии. Она упадет на дно стакана по сильно изломанной траектории и будет кататься по дну.
Затем, при дальнейшем уменьшении соотношения температуры и массы, частица падает на дно стакана уже почти вертикально, с минимальными отклонениями траектории от вертикали. Упав на дно стакана, она уже не бегает по всему дну, а просто дрожжит около своего места падения.
Наконец, при очень маленьком соотношении температуры и массы, частица падает строго вертикально и упав лежит на дне стакана неподвижно. Роль флуктуаций в этом случае сведено к нулю. Частица движется только под действием законов механики.
Теперь представьте себе, что мы имеем дело не с макрочастицей, а с обычными молекулами. При нулевой температуре молекулы движутся только под действием законов классической механики. А при температурах выше нуля на них действуют еще и флуктуации, которые заставляют их отклоняться от классических траекторий.
Казалось, вот оно решение проблемы объяснения термодинамики из механики. Но теория статфизики подверглась массированной атаке со стороны коллег-физиков.
Дело в том, что введенные таким способом флуктуации представляют собой на самом деле внешние силы по отношению к системе. То есть мы не можем считать такую систему замкнутой. В такой системе энергия сохраняется только в среднем. А в целом она флуктуирует около своего среднего значения. И только при температуре равной нулю, закон сохранения энергии выполняется точно в любой момент времени.
Нападки на теорию статистической физики были на столько сильны, что автор этой теории Больцман покончил жизнь самоубийством.
(Продолжение следует.)