Термодинамика на скорости света

Если Планк и Эйнштейн ошибались, то ангелы должны быть теплокровными. Николай Эстис. Из цикла «Ангелы». 1983

Термодинамика – это физическая дисциплина, изучающая превращения одних видов энергии в другие ее виды, а также взаимоотношения между энергией, теплом и произведенной работой. Релятивистская же термодинамика – это та же термодинамика, но только для случая, когда тепловые процессы протекают в объектах, движущихся со скоростями, стремящимися к скорости света в вакууме.

Строго говоря, делить термодинамику на простую и релятивистскую – в известной степени то же самое, что делить осетрину на два типа свежести – первую и вторую. Но так уж исторически сложилось, что появились две термодинамики – сначала классическая, потерявшая к настоящему времени немного в свежести, затем релятивистская, чуточку более свежая; впрочем, и этой уже более 100 лет. Вот только последнюю ученые до сих пор разжевать толком не в состоянии.

Как будто некий Демон Науки подкинул группе ученых-физиков для решения проблему, связанную с преобразованием тепла и температуры при скоростях, близких к скорости света, устроив сеанс мозгового штурма, растянувшегося более чем на 100 лет. В первых рядах этого научного отряда – гениальные Макс Планк и Альберт Эйнштейн. Не обошлось без Льва Ландау с Евгением Лифшицем. 

Основы специальной теории относительности (СТО) были заложены в 1905 году. Основы релятивистской термодинамики появились на свет двумя годами позже. За прошедшие 100 с лишним лет механика и электродинамика специальной теории относительности в основном сформировались.

За это же время в рамках релятивистской термодинамики в силу ряда веских причин не было проведено ни одного опыта.

И вот один из промежуточных итогов развития релятивистской термодинамики: ко второму десятилетию XXI века не было написано ни одной научной монографии в области релятивистской термодинамики, а вот в области релятивистской механики и электродинамики в книжной продукции недостатка не ощущалось. Однако как прикажете писать монографию о научной проблеме, фундамент которой последние 50 лет непрерывно сотрясают дискуссионные катаклизмы?

Гениальные Планк и Эйнштейн утверждают: если скорость изучаемого объекта стремится к скорости света в вакууме, то объект этот должен охлаждаться с точки зрения наблюдателя, находящегося, например, в неподвижной системе отсчета или, если по-обывательски, в неподвижной системе координат. Словом, чем выше скорость изучаемого объекта, тем ниже его температура. Авторитет этих двух корифеев науки столь велик, что никому из их коллег не приходит в голову усомниться в корректности выводов, сделанных гениальными физиками.

Идет время… В 1947 году умирает Планк, в 1955-м – Эйнштейн. А в 1963 году выходит в свет посмертная статья немецкого физика Гельмута Отта, посвященная релятивистской термодинамике. Выводы Отта, сделанные в этой научной работе, диаметрально противоположны результатам, полученным его гениальными соотечественниками. Отт утверждает: чем выше скорость исследуемого объекта, тем выше его температура и тем больше в нем тепла.

Коллеги-физики немедленно бросаются с пристрастием изучать столь скандальный научный труд. Ищут ошибки. И не находят. И никому из них в голову не приходит, забыв на время о несомненной гениальности Планка и Эйнштейна, с пристрастием проверить и перепроверить все написанное ими о преобразовании тепла и температуры при релятивистских условиях. Более того, коллеги-оппоненты, решив последовать примеру покойного Отта, в свою очередь, принимаются сочинять разного рода теории, касающиеся преобразования тепла и температуры в рамках теории относительности.

И вот уже двое американцев, Каллен и Горовиц, предлагают свой взгляд на вещи, утверждая независимость тепла и температуры от скорости движения объекта. Более того, они готовы даже отменить тепло как таковое. А кое-кто (Ландсберг) и вообще отменяет этот термодинамический параметр. Без него проще. Находятся и такие, у которых в рамках одного и того же процесса температура может и возрастать, и уменьшаться при разгоне изучаемого объекта вплоть до скорости света. Все зависит от способа измерения этой самой температуры.

Все это очень уж отдает «температурным язычеством», и становится ясно: пора переходить к «температурному монотеизму», а, стало быть, поискать, а что не так у Эйнштейна и Планка в предлагаемой ими теории релятивистского преобразования температуры? И, похоже, это «не так» находится.

Тут я явственно слышу голос какого-нибудь современного авторитета в области теоретической физики: «Ты что, умней всех, включая Эйнштейна и Планка?»

Да нет, я не умней всех, просто я «такой же умный, как моя теща… потом». Ведь прошло-то более 100 лет со времен закладки Планком основ релятивистской термодинамики. И я не поленился проштудировать и проанализировать большую часть научной литературы, вышедшей более чем за столетие, на немецком и английском в этой области теоретической физики. В итоге была написана и издана в США монография, посвященная исключительно релятивистской термодинамике. Замечу, первая в мире монография в этой области теоретической физики (Emil V. Veitsman. Relativistic Thermodynamics / Horizon Research Publishing, USA, 2017. 196 p.).

От ошибок в науке никто не застрахован, включая научных корифеев. Играют-то они против Демона Науки. Это во-первых. А во-вторых, у меня не поднимается рука написать, что Эйнштейн с Планком ошиблись – они просто-напросто кое-чего не учли, ведь теория относительности, а вместе с нею и релятивистская термодинамика только-только начинались. Всего сразу не учтешь. А не учли они вот что.

Энергия, затраченная на разгон объекта до некой скорости, достаточно близкой к скорости света в вакууме, пошла частично на увеличение кинетической энергии объекта в целом, а частично оказалась затраченной на увеличение скорости микрочастиц, составляющих изучаемый объект. В этом-то все и дело – ведь чем выше совокупная скорость этих микрочастиц для наблюдателя, находящегося в неподвижной системе отсчета, тем выше для него и температура вещества в этом объекте. И, как следствие, мы имеем две температуры и два тепла: термодинамические и релятивистские.

Тепло первого рода – это тепло, вводимое в систему из какого-то внешнего источника. Ввод этот сопровождается возрастанием энтропии вещества в изучаемом объекте, то есть возрастание степени беспорядка в нем. Тепло второго рода – это тепло, образующееся в движущейся системе благодаря превращению в него затраченной при разгоне кинетической энергии. С точки зрения неподвижного наблюдателя, тепло это на энтропию системы никак не влияет, а вот на скорость микрочастиц в ней – еще как. В итоге и первый, и второй принципы термодинамики остаются справедливыми при релятивистских условиях, а стало быть, корректным оказался результат, полученный Гельмутом Оттом перед самой его смертью – чем выше скорость изучаемого объекта, тем выше и его температура!

В итоге в термодинамике едины и эти два вида тепла, и обе эти температуры – для всех физических процессов без исключения. Сплошной термодинамический монотеизм!