В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики - Питер Эткинс

из них начинал с того, что устанавливал для своей шкалы легко воспроизводимые и транспортируемые «фиксированные точки», то есть нуль-пункты. Даниэль Фаренгейт (1686–1736) зафиксировал в качестве нулевой точки своей шкалы самую низкую из всех легко достижимых в то время температур (которая все же находилась намного выше уже упоминавшегося здесь абсолютного нуля) – температуру замерзания смеси обычной соли и воды. За 96 (как ни странно, не за 100) градусов он принял температуру своей собственной легко перемещаемой в пространстве подмышки, – или, по крайней мере, среднюю температуру любой другой подмышки. Разделив на 96 ступеней разность температур между этими двумя довольно расплывчато обозначенными точками, он получил точку замерзания чистой воды на 32 градусах своей шкалы, а точку кипения воды – на отметке в 212 градусов, намного выше температуры подмышки. Андерс Цельсий (1701–1744) поступил более мудро: он взял за основу свойства самой воды, которые и определили опорные точки на его шкале – 100 градусов в точке замерзания и 0 – в точке кипения. Впоследствии эту шкалу пришлось перевернуть (о разумности этого шага мы поговорим в главе 9), и у горячих тел температуры стали выше, чем у холодных. Не так уж важно, но интересно, что в соответствии со своими определениями обе шкалы являются «стоградусными» – у обеих промежуток между их фиксированными точками составляет около 100 градусов, – но, так как для современного общества на шкале Фаренгейта точки кипения и замерзания воды, 32 и 212 градусов, оказались важнее исходных нуля (соляной смеси) и 96 (фаренгейтовской подмышки), стоградусной стали называть только шкалу Цельсия.

Чтобы закруглиться с рассказом о температурных шкалах, добавим еще, что есть, конечно, и шкала, которая начинается с абсолютного нуля. Она называется термодинамической шкалой температур, или просто абсолютной шкалой. Если градации этой шкалы имеют шаг, равный градусам шкалы Цельсия, тогда она называется шкалой Кельвина, в честь Уильяма Томсона, барона Кельвина Ларгского (1824–1907), пионера термодинамики[28]. Если же градации абсолютной шкалы соответствуют градусам Фаренгейта, тогда термодинамическую температурную шкалу называют шкалой Ранкина, по имени шотландского инженера Джона Ранкина (1820–1872), ныне (хотя в его время это было вовсе не так) значительно менее известного теоретика паровых машин и сочинителя комических песенок. Насколько я знаю, сейчас почти никто не пользуется шкалой Ранкина: ну, разве что такие инженеры еще найдутся в Америке, где в повседневной жизни шкала Фаренгейта упрямо не желает уступать победу Цельсию. Напомним для полной ясности, что абсолютный нуль лежит на отметках –273,15 °C или –459,67 °F.

Закончив наш экскурс в сферу практики, я должен теперь рассмотреть вопрос о том, как именно глубокая концепция температуры вошла в науку, в частности в термодинамику. Как могла температура быть наблюдаемой физической характеристикой во времена, когда ученые еще не осознавали реальность молекул и не имели ни малейшего представления о дискретности энергетических уровней? Другими словами, что собой представляла температура до Больцмана?

Формально температура вошла в термодинамику «задним числом». Надо сказать, что одна из особенностей термодинамики заключается в том, что каждый из ее законов (они часто называются «начала») обычно (а вот и еще одно слово-уловка) вводит в обиход какую-то новую характеристику, связанную с энергией. Так, первое начало термодинамики вводит величину, которая, собственно говоря, и является энергией; второе начало (мы рассмотрим его в главе 5) представляет характеристику, называемую энтропией. Оба эти закона разнообразными способами связаны с концепцией температуры. Создатели термодинамики постепенно поняли, что, хотя они достаточно строго сформулировали первый и второй ее законы и таким образом дали определения энергии и энтропии, само понятие температуры осталось без определения и не было введено каким-либо законом. Необходимо было сформулировать какой-то новый закон, более фундаментальный, чем первое и второе начала, – закон, который формализовал бы определение температуры. И, так как первое и второе начала уже заняли свои места, отцам-основателям термодинамики ничего не оставалось, как, стиснув зубы, назвать этот новый закон, логически предшествовавший первому и второму, «нулевым началом термодинамики». (Я не знаю никакой другой области науки, в которой потребовалось бы задним числом вводить подобный «нулевой закон»: разве что можно поискать нечто несформулированное, что затаилось в недрах ньютоновской классической механики.) Коротко говоря, нулевое начало является формальным определением температуры, и теперь мне придется объяснить вам его с виду довольно банальное содержание и рассказать, как этот новый закон выполнил свое назначение.

Представьте, что у вас есть три объекта, которые я назову A (к примеру кусок железа), B (ведро с водой) и T (а вы думали, C? облом…). Как вы сейчас поймете, у «термодинамистов», то есть тех, кто занимается термодинамикой, есть одна довольно странная черта: они приходят в настоящий восторг, когда отмечают, что ничего не происходит. Может быть, вы уже обратили на это внимание, когда мы обсуждали сохранение энергии в главе 2: они просто торчали (на свой абстрактный лад), когда заметили, что полная энергия Вселенной не изменяется. Вот это состояние эйфории и вылилось в первый закон термодинамики, который представляет собой просто конкретизацию закона сохранения энергии. Вот, к вящему их восторгу, еще один сценарий: допустим, вы привели A и T в соприкосновение и отметили, что ничего не произошло. Теперь допустим, что, независимо от первого вашего действия, вы привели в соприкосновение B и T, и вновь ничего не случилось. Так вот, нулевое начало термодинамики говорит, что если теперь вы приведете в соприкосновение друг с другом A и B (то есть поместите кусок железа в ведро с водой), ничего не произойдет. Это наблюдение имеет универсальный смысл: какова бы ни была природа A и B, если ничего не происходит при контакте каждого из них по отдельности с T, то ничего не произойдет и при контакте A с B. У «термодинамиста» это наблюдение вызывает почти непреодолимый оргазм и наполняет все его существо безграничным счастьем.

Надеюсь, что вы замечаете: объект T играет роль термометра, а вся описанная процедура может быть представлена как измерение температуры. То есть, когда A входит в соприкосновение с T и ничего не происходит (например, длина столбика ртути внутри стеклянной трубочки в составе объекта T не меняется), это значит, что температуру объекта A можно поставить в соответствие с длиной столбика ртути. Когда B входит в соприкосновение с T и ничего не происходит, это значит, что объект B имеет температуру, зарегистрированную при помощи T, и она такая же, как у A. Следовательно, A и B имеют одинаковую температуру, и мы можем быть абсолютно уверены, что, если они войдут в соприкосновение друг с другом, ничего не