Ранее: От неравенства Клаузиуса к обобщенной неравновесной термодинамике
Содержание: Термодинамика
Макс Планк один из первых поддержал специальную теорию относительности Эйнштейна. В 1907 году Планк выпустил статью с построением релятивистской термодинамики. В этой версии температура движущегося тела уменьшалась, то есть, движущееся тело становилось холоднее. В том же году Эйнштейн познакомился с работой Планка, получил аналогичные результаты более простым путем и включил их в первой обзор по специальной теории относительности. В 1911 году Макс фон Лауэ (один из учеников Планка) издал первый учебник по специальной теории относительности, куда было включено рассмотрение релятивистской термодинамики в аналогичном виде с улучшенным доказательством.
Эта версия релятивистской термодинамики осталась без изменения до появления статей физиков Генриха Отта (Heinrich Ott, 1963 год) и Анри Арзелье (Henri Arzeliès, 1965). В обоих статьях независимо друг от друга была предложена альтернативная версия релятивистской термодинамки, в которой температура движущегося тела повышалась, то есть, движущееся тело становилось горячее. После этого мнения физиков разделились и появилась лавина публикаций. Одни физики считали, что прав Планк, другие, что Отто, третьи, что температура является инвариантной, а четвертые предлагали использовать температуру только в собственной системе координат.
Самое интересное, что этой публичной полемике предшествовало обсуждение этого вопроса в переписке между Эйнштейном и фон Лауэ в 1952-1953 годах, которое в то время не вышло за рамки частного обмена взглядов. Эйнштейн получил от фон Лауэ версию нового учебника по специальной теории относительности и по ходу чтения Эйнштейн заметил, что есть хорошие аргументы в пользу повышения температуры движущегося объекта.
В обоих случаях не нашлось единственного верного решения. Большинство физиков пришло к мнению, что следует оставить температуру инвариантной. Тем не менее, обсуждение этого вопроса продолжается до настоящего времени, но уже без такого накала страстей. Ниже я без обсуждения технических деталей приведу цитаты из двух статей — из обзора Ю. Г. Рудого про историю релятивистской термодинамики и из статьи Чжуана Лю про переписку Эйнштейна и фон Лауэ.
Цитаты из статьи Ю. Г. Рудого — о истории релятивистской термодинамики:
‘после появления фундаментальной работы Планка в 1907 г. и ее фактического одобрения Эйнштейном (получившего, кстати, результаты Планка независимым способом) эти результаты построения РТД [релятивистская термодинамика] считались классическими и воспроизводились практически без изменений примерно каждые 10 лет в наиболее авторитетных монографиях по СТО.’
‘Однако сам предмет РТД, по-видимому, рассматривался при этом как чисто академический и лишенный какого-либо реального физического интереса — чем иначе объяснить, что примерно за 50 лет на эту тему в мировой физической литературе появилось всего лишь около 30 работ (в среднем 0,6 работы в год)?’
‘Статья Отта вызвала поистине «сход лавины»: за 4 года — с 1965 по 1968 гг. — по проблеме РТД было опубликовано не менее 70 работ (в среднем 12,6 работы в год), т. е. рост числа публикаций в год повысился в 20 раз (!) — вряд ли в истории физики найдется еще один подобный прецедент. Впрочем, к началу 1970-х годов «буря» улеглась так же внезапно, как и поднялась, — по-видимому, «стороны» исчерпали свои аргументы как в пользу теории Планка, так и в пользу теории Отта. Так и не придя к окончательному согласию, физическое сообщество решило просто снять этот вопрос, договорившись считать абсолютную температуру T тела релятивистским инвариантом T = T0.’
‘Таким образом, никакой «ошибки» ни у Планка, ни у Отта, конечно, нет, а есть лишь некоторый произвол в выборе условий для определения соответствующей температуры по Клаузиусу. Правда, не вполне ясен физический смысл этих условий — прежде всего в контексте принципа операциональности.’
‘Главное, однако, состоит в том, что нет никаких разумных физических соображений в пользу того, что движущееся тело должно быть горячее (по Отту) или, напротив, холоднее (по Планку) покоящегося тела. Кроме того, измерение температуры является по своему смыслу локальной процедурой, так что физические условия для нее — в первую очередь, состояние теплового равновесия между телом и «термометром» — могут быть реализованы лишь в собственной системе отсчета.’
Из статьи Чжуана Лю про переписку Эйнштейна и фон Лауэ.
’27 января 1952 года Эйнштейн написал письмо Максу фон Лауэ, которое начиналось следующими словами: «Я не могу согласиться с вашей формулой для преобразования Лоренца поглощенной теплоты G (и температуры)».’
‘Поводом для письма Эйнштейна послужило чтение недавно переработанной книги фон Лауэ по теории относительности. Из содержания письма следует, что Эйнштейн впервые увидел эту формулу в изложении фон Лауэ (по крайней мере, он никогда не обращал на нее должного внимания). Но, как мы вскоре узнаем, Эйнштейн был одним из пионеров релятивистской термодинамики и ответственен за создание первой теории, неотъемлемой частью которой была та самая формула, против которой он возражал. Таким образом, здесь можно увидеть, как Эйнштейн, почти в конце своей карьеры атаковал то, что он сам (вместе с Планком) создал в начале этого столетия.’
‘Эйнштейн даже не упомянул о своем собственном знании формулы, к которой он придрался. Из этого можно получить еще одно представление о гениальности Эйнштейна — он всегда хотел работать, исходя из первых принципов, с помощью простейшего мысленного эксперимента. То, что ранее было сделано для решения определенных проблем другими людьми или им самим, казалось ему совершенно неуместным.’
Ниже цитата из письма Эйнштейна 2 марта 1953 года, которое завершает обсуждение с Лауэ (Лауэ не согласился с этими доводами). Ср. с результатами обсуждения физиков в статье Рудого.
‘Дорогой Лауэ. Мне становится неудобно при воспоминании нашего спора по поводу трансформации термодинамических понятий в форму специальной теории относительности. В самом деле, не существует убедительного метода в том смысле, что одно представление было бы просто «правильным», а любое другое — «неправильным». Можно только попытаться осуществить переход настолько естественно, насколько это возможно. Теперь я думаю, что ни твое предложение, ни мое не были оптимальными, но думаю, что точка зрения ниже на этот вопрос является наиболее подходящей. … На самом деле речь идет о рассмотрении терминов температура и количество теплоты (точнее подводимой теплоты). Теперь я попытался понять под «температурой» измерение сопровождаемого термометра, т.е. рассматривать температуру также как инвариант.’
Далее: Термическое уравнение состояния и термические коэффициенты
Информация
Ю. Г. Рудой. Роль Макса Планка в создании релятивистской термодинамики. В сб. Исследования по истории физики и механики. 2009–2010 (ред. Г. М. Идлис). 2010, c. 59–91.
Liu, Chuang. Einstein and relativistic thermodynamics in 1952: a historical and critical study of a strange episode in the history of modern physics. The British Journal for the History of Science 25, no. 2 (1992): 185-206.