ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Равновесное электромагнитное излучение из "Термодинамика и статистическая физика Теория равновесных систем " Исключение составляют идеально зеркальные стенки. Несмотря на то что идеальная зеркальная стенка в теоретических построениях представляется очень удобной и подкупающе наглядной (а в оптике — просто совершенно необходимой), она не моделирует никакой реальной термодинамической системы. И дело здесь не в том, что при самой тщательной полировке в масштабе, сравнимом с постоянной решетки (т. е. порядка десятка ангстрем), такая стенка даже отдаленно не похожа на плоскость (или какую-либо другую геометрически правильную поверхность). Главное, что идеальная зеркальная стенка по ее определению не меняет вследствие своей абсолютной неподвижности частоту электромагнитной волны при ее отражении, а это значит, что она не участвует в тепловом движении в принципе (как бы выморожена до абсолютного нуля). Поэтому и электромагнитное излучение, заключенное в полость с такими нетермодинамическими стенками, не представляет термодинамической системы тоже. [c.93] Своеобразие рассматриваемой системы заключается в том, что фотоны в достаточно хорошем приближении не рассеиваются друг на друге (в отличие от частиц газа, жидкости и т. д.), и в этом смысле совокупность электромагнитных волн (или газ фотонов) представляет собой чуть ли не единственный пример реально существующей идеальной системы. Иными словами, газ фотонов не располагает внутри себя механизмом, призодящим его к состоянию термодинамического равновесия. На то что в эту систему релаксационный механизм должен быть привнесен извне, впервые обратил внимание Макс Планк. Он в своих рассуждениях сохранил привычные в кругу физиков конца XIX—начала XX в. зеркальные стенки и поместил в полость крохотную (на взгляд обывателя ничего существенно не меняющую, а на деле— это был принципиальный шаг) абсолютно черную пылинку . [c.93] Система изменилась кардинально пылинка поглощала и испускала электромагнитное излучение всех частот, в результате чего в системе устанавливалось равновесие пылинка — излучение и, несмотря на наличие зеркальных стенок, система становилась термодинамической. Такова история (как и раньше, в ней мы отмечаем в основном лишь позитивные моменты, опуская историю великих заблуждений, интриг и всего того, без чего никакая реальная история не обходилась). Понятно, что сейчас уже нет необходимости прибегать к услугам крошечной планковской пылинки. Естественнее из того же материала сделать стенки или хотя бы какую-нибудь их часть. [c.94] Такая идеализированная, но физическая модель термодинамических стенок позволяет нам наиболее экономным образом рассмотреть нашу основную задачу — термодинамику самого равновесного электромагнитного излучения, заключенного в полости (термодинамика самих стенок нас не интересует, важно, что они обеспечивают состояние термодинамического равновесия в самом излучении и его равновесность по отношению к стенкам). [c.94] Из этой формулы сразу следуют два макроскопически наблюдаемых эффекта. [c.99] Для определения коэффициента а (как и постоянной а в законе Стефана—Больцмана и величины х. в законе Вина) необходимо располагать функцией х), точный вид которой устанавливается уже методами статистической механики. [c.100] Полученные выше характерные для равновесного электромагнитного излучения результаты не замыкаются рамками рассмотренной частной задачи. Они справедливы для системы из частиц, энергия которых, как у фотонов, пропорциональна первой степени их импульса р=рс=й(и (что реализуется точно для частиц с равной нулю массой покоя и приближенно в высокоэнергетической области, когда рс тс ), которые не взаимодействуют друг с другом (или это взаимодействие мало хотя бы в среднем по сравнению со средней энергией поступательного движения Ер) и в системе которых имеется механизм, обеспечивающий возникновение равновесного состояния за время, меньшее (или хотя бы не превышающее) времени существования такой системы. Подходящие ситуации могут обнаружиться даже в явлениях, относящихся к физике элементарных частиц, где термодинамическое рассмотрение (хотя и на качественном уровне) может высветить некоторые особенности происходящих в подобных масштабах явлений (еще в 1950 г. Ферми (Е. Fermi) использовал такой подход к рассмотрению промежуточного состояния сталкивающихся частиц очень высоких энергий, в результате чего происходило множественное рождение более легких частиц — я-мезонов). Не будем, однако, похищать сюжеты из других разделов теоретической физики и рассмотрим в заключение чисто термодинамическую часть проблемы равновесного электромагнитного фона нашей Вселенной, принимая гравитационную ее часть на веру и излагая ее в расчете на тех, кто еще не достиг в этом плане уровня пешехода . [c.101] Реликтовое излучение. История этого вопроса вкратце такова в 1938 г. американский физик Джордж (Георгий Антонович) Га-мов, исходя из теоретических соображений, предсказал существование фонового (т. е. исходящего не от звезд, туманностей и т. п., а из пустого пространства) электромагнитного излучения во Вселенной в 1946 г. он выдвинул объяснявшую происхождение этого излучения модель эволюции Вселенной (называемую горячей Вселенной ), В 1964 г. в лаборатории фирмы Белл телефон была создана новая рупорная антенна, предназначавшаяся для работы со спутниками связи. Через год работавшие на ней американские физики Роберт Вилсон и Арно Пенз нас обнаружили фоновый электромагнитный шум Вселенной (т. е. просто случайно натолкнулись на реликтовое излучение) и с помощью формулы Вина определили его температуру (знавший теорию Гамова американский астрофизик Р. Дикке специально строил антенну для обнаружения реликтового излучения, но опоздал на полгода). В дальнейшем их результаты были подтверждены и уточнены с помощью земных и спутниковых установок, а сами они в 1978 г. были удостоены Нобелевской премии. [c.101] Остановимся теперь на тех немногих сведениях из теории тяготения, которые нам понадобятся для объяснения явления. [c.101] В 1922 Г. советский физик А. А. Фридман нашел нестационарное решение уравнений Эйнштейна, согласно которому условный радиус Вселенной на ранней стадии ее развития меняется со временем как (на более позднем этапе, когда излучение будет обладать лишь малой долей общей энергии системы, закон изменения изменится на решение объясняло экспериментально обнаруженную Э. Хабблом в 1929 г. пропорциональность скорости разбегания галактик расстоянию до них и тоже экспериментально установленный в 1922 г. В, Слайфером закон красного смещения, согласно которому длина волны электромагнитного излучения X, свободно распространяющегося во Вселенной, увеличивается с течением времени пропорционально параметру Я, (т. е. как бы одинаково с ним растягивается). Для того чтобы облегчить неспециалистам понимание всех этих явлений, теоретики придумали весьма наглядную (хотя и двухмерную) модель для замкнутой (но бесконечной , не имеющей границ) Вселенной она вся как бы располагается на поверхности резинового воздушного шарика, который раздувается с течением времени. Сразу становится понятным, что во Вселенной нет выделенного центра, что закон Хаббла не зависит от точки наблюдения, что реликтовое излучение в любой точке шарика изотропно и т. д. [c.102] Процессов (для нас важна лишь идея этой схемы, поэтому никаких относящихся к ней подробностей и т. п. мы не приводим), время релаксации, выравнивания плотностей и т. п. составляет всего лишь 10-36. р g ла этом этапе эволюции Вселенная существует как термодинамическая квазиравновесная система. [c.104] Наконец, возьмем наши дни , т. е. i lO млрд лет (или 18 млрд лет — оценки возраста Вселенной особой стабильностью не отличаются), что соответствует Т 3 К. [c.105] Вернуться к основной статье