Классическое объяснение этого факта таково. Уменьшая объем, вы совершаете механическую работу против силы давления идеального газа. Эта работа преобразуется в энергию молекул. Правильно? Конечно, не только качественно, но и количественно. И все-таки непонятно, как уменьшение объема может сказаться на кинетической энергии, т. е. в конечном итоге на скорости движения молекул, а следовательно, на температуре?
Предлагают и такое объяснение. Мол, при сжатии сосуда с газом его стенки движутся, и это движение передаегся сталкивающимся со стенками молекулам. В подобном случае изменение кинетической энергии молекул вроде бы должно зависеть от скорости, с которой вы сжимаете сосуд. А вот этого-то и не наблюдается. Как же на самом деле механическая работа, совершаемая при сжатии сосуда, приводит к увеличению кинетической энергии молекул идеального газа?
Встреча с квантами
Уравнение Клапейрона знают все — его проходят в школе. Большинство, конечно, благополучно забывают сразу после сдачи экзамена. Кое-кто (мы не имеем в виду специалистов-физиков) помнит и относится к нему как должно. Но лишь немногие, к числу последних относятся и авторы книги, пытаются разобраться вот в чем. Уравнение Клапейрона обобщает огромное количество экспериментальных данных — в свое время было потрачено достаточно сил, чтобы выверить все досконально. И все же остается сомнение, которое не дает нам покоя: почему постоянная, входящая в уравнение Клапейрона,— ее называют универсальной газовой постоянной— равна 0,082 л-ат/град-моль? Почему она такая, а не какая-нибудь еще? Почему именно восемьдесят две тысячные?
В свое время Пифагор считал, что существуют особые магические числа, которые правят миром. Но даже ему не приходило в голову, что магическим числом могут быть восемьдесят две тысячные. А ведь если полистать школьный учебник физики, то и дело будешь натыкаться на всякого рода постоянные, и все они выражаются числами с большим количеством цифр и совершенно непонятно, почему они такие, а не какие-либо еще.
Сегодня все знают — мир описывается квантовой физикой и теорией относительности. Но к сожалению, глубоко укоренилось мнение, что существует особый микромир — мир атомов, электронов и других мельчайших частиц, законы квантовой физики якобы справедливы только в этом микромире. А в мире окружающих нас «больших» вещей можно вполне обойтись классической физикой.
Слов нет, уравнения Клапейрона справедливы, и если вы станете, например, надувать футбольный мяч, то можете совершенно точно вычислить, как будет увеличиваться давление воздуха в нем, как будет повышаться температура этого воздуха, а измерив эти величины, обнаружите полное совпадение с теорией. Но по-прежнему останется непонятным, почему все происходит именно так, а не иначе?
Можно все, кроме того, что нельзя
Принято считать, что квантовая физика очень сложна.
— Сдал кванты! — раздается ликующий возглас в коридоре университета, и это обстоятельство признается чуть ли не равносильным окончанию физического факультета. На самом деле квантовая физика в некоторых отношениях проще классической. Самая ее сущность может быть сформулирована одной фразой: можно все, кроме того, что нельзя. В основе квантовой физики лежат несколько фундаментальных законов, носящих характер запретов. Прежде всего это законы сохранения энергии, количества движения и момента количества движения. Формулируются они именно как запреты: Энергия, количество движения и момент количества движения не могут возникать из ничего или исчезать бесследно. Любое явление, не противоречащее основным запретам, может произойти и происходит на самом деле. Квантовая физика в основном занимается подсчетом того, насколько часто происходит то или иное из числа разрешенных событий.
Следующий запрет квантовой физики называется соотношением неопределенностей Гейзенберга. Он гласит: произведение неопределенности координаты материального объекта на неопределенность количества движения этого объекта не может быть меньше некоторой постоянной величины, называемой постоянной Планка. Постоянная Планка равна 6,62-10~27 эрг-с. Еще одна постоянная, столь же неудобочитаемая, как и предыдущие? Подождем, однако, делать выводы.