Относительность. Термодинамика и космология - Толмен Р.
Скачать (прямая ссылка):
и предсказания, однозначно вытекающие из развитой в этой главе
макроскопической электродинамики, в этом случае расходились.
Экспериментальные данные подтвердили результат последней.
*) Вопрос о тензоре энергии - импульса в веществе до сих пор остается
темой дискуссий. Это связано с тем, что сами понятия энергии и импульса в
среде теряют ту наглядность, которую они имели в вакууме. Переход от Е и
В к D и И есть операция сложная, связанная с усреднениями по времени и
пространству; при этом соотношения перестают быть локальными, так что D и
Н зависят, вообще говоря, от значений Е и В во всем пространстве -
времени. В результате все величины на самом деле зависят от разных
внешних параметров. Читателя можно отослать к статьям В. Л. Гинзбурга и
Д. В. Скобельцына. УФН 110 (1973), в которых он найдет и нужные
литературные ссылки. (Прим. ред.)
ГЛАВА V
СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
И ТЕРМОДИНАМИКА
ЧАСТЬ I
ТЕРМОДИНАМИКА ПОКОЯЩИХСЯ СИСТЕМ § 55. Введение
В этой главе мы обсудим, как связаны между собой специальная теория
относительности и термодинамика. При этом окажется, что возникают два
разных вопроса.
С одной стороны, специальная теория относительности дает нам простое
соотношение между массой и энергией, которое позволяет вычислять
изменение количества энергии термодинамической системы по изменению ее
массы. Для термодинамики это новое соотношение особенно полезно тогда,
когда мы отвлекаемся от движения рассматриваемой системы как целого,
поскольку оно позволяет находить состояния термодинамического равновесия
для таких процессов, в которых мы можем судить об изменении энергии,
которое сопровождает этот процесс, лишь по тому изменению массы, которое
при этом происходит.
С другой стороны, специальная теория относительности снабдила нас, в
форме преобразования Лоренца, методом перевода результатов измерений
локального наблюдателя, покоящегося относительно термодинамической
системы, на язык, которым будет выражать свои результаты наблюдатель,
движущийся относительно данной системы. Как показали впервые Планк и
Эйнштейн, таким образом можно прийти к термодинамической теории
движущихся систем.
В первой части этой главы мы рассмотрим термодинамику покоящихся систем.
Сначала будут изложены хорошо известные разделы классической теории,
которые окажутся полезными нам в дальнейшем, затем будут введены в
термодинамику релятивистские соотношения между массой и энергией и с их
помощью решены две конкретные задачи: вычисление условий равновесия между
водородом и гелием и между веществом и излучением с учетом их возможных
взаимных превращений.
9 Р. 'Голмен
530
ГЛ. V. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ И ТЕРМОДИНАМИКА
Во второй части мы рассмотрим лоренцевы преобразования термодинамических
величин и собственно термодинамику движущихся систем. При этом мы
сформулируем в ковариантном виде термодинамические принципы, что поможет
нам впоследствии при обобщении термодинамики в область общей теории
относительности.
Прежде чем перейти к делу, еще раз особо подчеркнем макроскопический и
феноменологический характер термодинамического подхода. Конечно,
термодинамические принципы в какой-то мере могут быть обоснованы с
помощью микроскопических методов статистической механики. Тем не менее
как по историческим причинам, так и по самому существу дела оба закона
классической термодинамики разумнее рассматривать как формулировки,
обобщающие результаты многочисленных макроскопических экспериментов. Даже
так называемый третий закон термодинамики, несмотря на то, что смысл его
проясняется лишь з статистической интерпретации энтропии, первоначально
был сформулирован без помощи такой интерпретации, а ныне его роль
исходного принципа оправдана и подтверждена экспериментальным материалом.
Феноменологический характер термодинамических законов и разнообразие
областей, в которых они были проверены экспериментально, дают нам
уверенность в правильности термодинамических предсказаний даже в тех
случаях, когда термодинамика используется в совершенно новых ситуациях.
Так как, по крайней мере в настоящее время, специальная теория
относительности носит в основном макроскопический характер, то кажется
естественным попытаться построить релятивистскую термодинамику. Конечно,
строить фундаментальную "еорию, которая была бы со всех точек зрения
удовлетворительна, задача не только трудная, но даже еще и не совсем
ясная. Однако в этом направлении все же был достигнут некоторый прогресс
[1, 2], когда в качестве отправного пункта использовалась классическая, а
не квантовомеханическая статистика.
В связи с феноменологическим характером термодинамики полезно еще раз
подчеркнуть и феноменологический характер релятивистских рассуждений.
Действительно, можно провести любопытную параллель между формулировкой
первого постулата теории относительности, обобщающей эмпирический вывод о
невозможности обнаружить движение Земли через гипотетический эфир, и
