Статистическая термодинамика и броуновское движение

[sergey zhukov]

В книжках по истории физики говорится о том, что по настящему идею атома и статистическую термодинамику приняли только после того, как при помощи этих подходов было дано объяснение броуновскому движению. Т.е. можно сказать, когда микроскопическое движение стало зримым.

По сути, это же проявление флуктуаций. Интересно, что статистическая термодинамика сама по себе ничего не говорит о размерах атомов, и, соответственно, флуктуаций. Основоположники статистической термодинамики недооценили (слышал такое мнение) возможность экспериментального обнаружения флуктуаций. Никто не знал, насколько велики атомы и какова их масса. Статистическая термодинамика работает одинаково (с точностью до флуктуаций) независимо от размеров частиц, частицы могут быть даже бесконечно малы.

Видимо, это одна из причин недоверия к статистической термодинамике в 19 веке? Казалось, что ее выводы в итоге совпадают с выводами феноменологической термодинамики, только требуется еще ввести эти самые атомы, которые теоретически могут действительно оказаться ненаблюдаемыми, т.к. на их малость никаких ограничений не накладывалось (соответственно, они имели все шансы быть действительно выдуманными сущностями).

[Ende]

Тема перемещена из форума «Беседы на околонаучные темы» в форум «Физика»
Причина переноса: обсуждение истории физики лучше вести здесь.

[amon]

sergey zhukov в сообщении #1685741 писал(а):

В книжках по истории физики говорится о том, что по настящему идею атома и статистическую термодинамику приняли только после того, как при помощи этих подходов было дано объяснение броуновскому движению.

Броуновское движение было объяснено с точки зрения молекулярно-кинетической теории (МКТ) еще в 70-х годах 19 века Карбонельем. Максвелл вывел свое распределение в 1856 году (ему тогда было 25 лет). Так что в 19 веке МКТ была вполне себе общепринятой теорией. В 1908 году Перрен измерил вес атома с помощью броуновского движения. На эту тему в Кванте была перепечатана заметка Матвея Бронштейна. (Матвей Бронштейн, по рассказам, был блестящий теоретик. Расстрелян в 1937 году по "делу Ландау".)
Собственно статистическая термодинамика началась, видимо, с работ Больцмана, который хотел получить термодинамические уравнения из уравнений механики. Недоверие к этой деятельности была связана не с недоверием к МКТ, - она к этому времени была вполне общепринятой теорией, а с тем, что микроскопические уравнения движения во времени обратимы, а уравнения термодинамики - нет. Эта сложность в той или иной мере до сих пор не преодолена окончательно.

[sergey zhukov]

amon
Ну, можно сказать, что в начале 20-ого века атомы взвесил и измерили. До этого было много разговоров о том, что они существуют, но насколько они малы, как устроены и взаимодействуют - это было не известно. Теоретически они могли быть буквально бесконечно малы, в чем можно было усмотреть попытку "выдумать несуществующие, ненаблюдаемые даже в принципе сущности". Первооткрыватели броуновского движения, видимо, уже могли сделать вывод о конечном размере атомов и даже что-то подсчитать, но они этого не сделали.

У меня сложилось впечатление, что и МКТ, и статистическая термодинамика воспринимались до начала 20-ого века, как некое альтернативное описание явлений, которое кроме новых гипотетических сущностей, сложной математики и парадоксов необратимой обратимости не имеет никаких преимуществ, т.е. ничего не дает, но все усложняет. Единственное новое, что следовало из этой теории - это флуктуации. Правда, неизвестно, на каком масштабе их можно наблюдать. Нам повезло, что их действительно можно наблюдать, т.к. размер атомов мог быть и на много порядков меньше. Если бы флуктуации нельзя было наблюдать (а МКТ такой возможности не гарантировала), то гипотеза атомов могла бы еще долго восприниматься, как "удобная (точнее, не удобная) расчетная схема, не имеющая физического смысла".

[pppppppo_98]

sergey zhukov в сообщении #1685798 писал(а):

Нам повезло, что их действительно можно наблюдать, т.к. размер атомов мог быть и на много порядков меньше

не мог... размер атома определяется фундаментальными константами...Это ангстремы... И далее антропный принцип.

[sergey zhukov]

pppppppo_98
Так эти константы и были определены из экспериментов с флуктуациями.

Антропный принцип - это еще в 100 раз менее убедительный аргумент, чем броуновское движение.

[amon]

sergey zhukov в сообщении #1686637 писал(а):

Так эти константы и были определены из экспериментов с флуктуациями.

Закон Авогадро -1811 год. Вообще, первые подтверждения МКТ были в химии, а не в физике (моли), а это - начало 19 века.

[sergey zhukov]

Да, не все так неопределенно, как я думал. Как минимум со скоростью молекул все просто.

Например, формула для среднего квадрата скорости частиц идеального газа:

$$\left\langle u^2\right\rangle=\frac{3RT}{\mu}$$

Как только научились определять относительное количество вещества в данной массе разных веществ (т.е. $\mu$), эту среднюю скорость можно было подсчитать, ничего не зная о размерах и массе частиц. Определение массы и размеров частиц требовало дополнительных экспериментальных данных. Как я понял, эти данные впервые были получены из измерений коэффициентов теплопроводности, вязкости и диффузии для газов, которые в сочетании с известной скоростью молекул уже могут дать определенные размеры молекул, после чего нетрудно подсчитать и их массу. Все это было сделано уже в середине 19 века.

[druggist]

Размер атома(молекулы), кажется, можно оценить, измерив площадь растекшейся пленки масла на поверхности воды. При этом, конечно, надо знать массу атома(молекулы)

[sergey zhukov]

druggist
Да можно не знать массы. Вычисляется толщина пленки и считается, что это диаметр одной молекулы. Сколько шариков такого диаметра влезет в это пятно, столько в нем и молекул.

[druggist]

sergey zhukov в сообщении #1686685 писал(а):

Да можно не знать массы.

Да, не подумал:) Зато, взвесив масло, тогда можно оценить и массу молекулы. Это могли сделать, пожалуй, и древние греки)

[sergey zhukov]

druggist
А просто это мы сейчас смело, зная правильный ответ, можем такие выводы делать из какого-то масляного пятна. А если ответа не знать, то вот пятно расплывалось, а теперь не расплывается. И что? Да можно сто разных причин придумать, отчего это так. Достигло, например, своего "естественного" размера.