Жизнь науки - С. Капица

По каким признакам можно установить, что земной шар не полностью утратил свою первоначальную теплоту; и каковы точные законы этой потери?

Если первоначально это тепло не полностью рассеялось, на что укалывают некоторые наблюдения, то оно может быть огромным на больших глубинах; однако оно не имеет никакого заметного влияния на среднюю температуру поверхности. Наблюдаемые явления обязаны своим происхождением действию солнечных лучей; но независимо от этих источников тепла — основного и первоначального, присущего земному шару, и вторичного, обязанного своим существованием присутствию Солнца,— не имеется ли более всеобщей причины, которая определяет температуру неба в той части пространства, которую занимает сейчас солнечная система? Так как наблюдаемые явления делают эту причину необходимо, то в чем же будут выводы этой теории в этом абсолютно новом вопросе? Каким образом можно будет определить постоянную величину этой температуры пространства и вывести отсюда температуру, соответствующую каждой планете?

К этому следует добавить вопросы, зависящие от свойств лучистого тепла. Нам точно известны физические причины отражения холода, т.е. отражения наименьшего тепла; но в чем состоит математическое выражение этого явления?

От каких общих причин зависит температура атмосферы,— в случае, когда лучи Солнца непосредственно попадают на металлическую или полированную поверхность термометра, или же этот инструмент выставлен ночью, под небом без облаков, для контакта с воздухом, с излучением земных тел и с самыми отдаленными и холодными частями атмосферы?

Так как интенсивность лучей, исходящих из одной точки поверхности нагретых тел, варьирует в зависимости от их наклона, согласно закону, установленному опытом, то не имеется ли необходимой математической связи между этим законом и общим равновесием тепла? Какова физическая причина этой разницы в интенсивности лучей?

Наконец, если тепло проникает в массу жидкости и определяет ее внутреннее движение через непрерывное изменение температуры и плотности каждой молекулы, то нельзя ли также на основе законов, которыми описываются эти явления, написать дифференциальные уравнения и таким образом получить общие уравнения гидродинамики?

Вот те главные вопросы, которые я решил и которые до сих пор еще не были подвергнуты анализу. Если же принять во внимание многочисленные следствия этой математической теории для промышленности и техники, то придется признать всю широту области ее применения. Очевидно, что она охватывает ряд различных явлений и что нельзя избежать их изучения, не отбросив значительную часть науки о природе.

Принципы этой теории, так же как и принципы рациональной механики, выведены из очень небольшого числа первичных явлений, причину которых геометры не рассматривают, но которые они допускают как результаты общих наблюдений, подтвержденные всеми опытами.

Дифференциальные уравнения распространения тепла выражают самые общие условия и сводят физические вопросы к проблеме чистого анализа, что, в сущности, и есть предмет теории. Они доказываются не менее точно, чем общие уравнения равновесия и движения, и, чтобы сделать это сравнение более ощутимым, мы все время предпочитали пользоваться доказательствами, аналогичными теоремам, которые служат основанием статики и динамики. Эти уравнения получают несколько иную форму, в зависимости от того, выражают ли они распределение лучистого тепла в прозрачных телах или движения, которые вызываются изменением температуры и плотности внутри жидкостей. Коэффициенты их подвержены изменениям, точная мера которых еще неизвестна; но для всех тех явлений природы, которые для нас важнее всего, область изменения температур настолько мала, что изменениями этих коэффициентов можно пренебречь.

Уравнения движения тепла, так же как уравнения, описывающие колебания тел, либо колебания жидкостей, принадлежат к недавно открытой области математики, которую было важно усовершенствовать. Установив дифференциальное уравнение, нужно было найти их интегралы — перейти от общего выражения к конкретному решению, подчиненному определенным условиям. Эти трудные исследования требовали специального анализа, основанного на новых теоремах, сущность которых мы здесь не можем изложить. Вытекающий отсюда метод не оставляет места ничему неясному или неопределенному в решениях. Эти решения дают численный ответ — необходимое условие для всех исследований, без них можно прийти только к бесполезным преобразованиям.

Те самые теоремы, которые дали нам интегралы уравнений движения тепла, нашли немедленное применение также к вопросам общего анализа и динамики; решение этих вопросов давно было желательным.

Углубленное изучение природы является самым плодотворным источником математических открытий. Придавая исследованиям определенную цель, изучение природы не только имеет то преимущество, что оно исключает неясные вопросы и безрезультатные вычисления. Оно, кроме того, является верным средством создания самого анализа и обнаруживает элементы, которые нам важнее всего узнать и которые всегда должны быть, сохраняемы этой наукой; это те основные элементы, которые повторяются во всех явлениях природы.

Мы видим, например, что одно и то же уравнение, которое математически рассматривали как выражение абстрактных свойств и которое в этом отношении принадлежит общему анализу, одновременно является уравнением движения света в атмосфере; это же выражение описывает законы диффузии тепла в твердом веществе, и оно же входит во все главные задачи теории вероятностей.

Аналитические уравнения, неизвестные древним геометрам, которые Декарт ввел для изучения кривых и поверхностей, не ограничиваются только свойствами геометрических тел или предметом рациональной механики; они распространяются на все общие явления. Не может быть языка более всеобъемлющего, чем аналитические уравнения, и более простого, лишенного ошибок и неясностей, т.е. более достойного для выражения неизменных соотношений реального мира.

Рассматриваемый с этой точки зрения математический анализ так же всеобъемлющ, как сама природа; анализ выражает связь всех явлений, дает меру времени, пространству, силе, температуре. Эта трудная наука создается медленно, но она сохраняет все принципы, однажды приобретенные; она постоянно растет и крепнет среди стольких колебаний и ошибок человеческого разума. Главным атрибутом анализа является ясность; у нас нет знаков для выражения неясных понятий. Он сближает самые разнообразные явления и обнаруживает объединяющие их скрытые аналогии. Если материя, как воздух и свет, ускользает от нас в силу своей тонкости, если тела помещены далеко от нас в бесконечности пространства, если человек желает узнать картину небес в последующие эпохи, отделенные от нас многими веками, если явления гравитации и тепла происходят в недрах земного шара, на тех глубинах, которые всегда будут нам недоступными, то математический анализ и тогда осветит законы этих явлений. Он делает их реальными и измеримыми. Математический анализ, являясь способностью человеческого разума, восполняет краткость нашей жизни и несовершенство наших чувств. Еще более замечательно то, что математический анализ идет одной и той же дорогой в изучении всех явлений; он объясняет их одним языком, как бы для того, чтобы подчеркнуть единство и простоту устройства Вселенной и еще раз указать на неизменность истинных законов природы.

Теория тепла дает множество примеров этих простых и постоянных положений, которые порождаются общими законами природы. Если бы порядок, установленный в этих явлениях, мог быть охвачен нашими чувствами, то у нас возникло бы ощущение гармонии, сравнимое с чувством гармонии звука.

Формы тел бесконечно разнообразны; распределение тепла, проникающего в них, может быть произвольным и неясным; но все неравномерности распределения быстро стираются и исчезают по истечении времени. Ход явления становится более упорядоченным и простым. Наконец, они подчиняются определенному закону, одинаковому для всех случаев, и мы не видим уже никаких заметных следов начальных условий. Все наблюдения подтверждают эти следствия. Анализ, из которого они вытекают, различает и ясно объясняет: 1) общие условия, т.е. те, которые являются результатом естественных свойств тепла; 2) случайное, но существующее влияние формы и состояния поверхностей; 3) переходные явления первоначального распределения.

В этом сочинении мы развили все принципы теории тепла и решили все фундаментальные вопросы. Можно было бы изложить их в более сжатой форме, опустив простые вопросы, и дать самые общие выводы; но мы хотели показать происхождение этой теории и ее последующее развитие. Когда понимание уже достигнуто и принципы полностью определены, то предпочтительно немедленно возможно шире использовать аналитические методы, как это мы делали в прежних исследованиях. Отныне мы будем следовать по этому пути в мемуарах, прилагаемых к этому труду, которые в некотором смысле образуют дополнение к нему. Таким образом, мы совместим, насколько это может зависеть от нас, необходимое развитие принципов с точностью, нужной при применении анализа.