Книга Критическая масса. Как одни явления порождают другие - Филип Болл

Максвеллу и Больцману удалось понять и объяснить микроскопический механизм поведения газов, но оставалось неясным, как статистическая механика сможет объяснить закономерности поведения твердых тел и жидкостей. Иными словами, физики не могли объяснить разнообразные наблюдаемые А-Буммы на основе кинетической теории газов. Ученые XIX века прекрасно знали из опыта, что из охлажденного газа можно получить жидкость, которая при дальнейшем охлаждении превратится в твердое тело. Проблема состояла в теоретическом объяснении этого простого факта, так как, строго следуя кинетической теории газов, охлаждение газа должно приводить лишь к уменьшению средней скорости молекул, т.е. к сжатию «колокола» распределения Максвелла — Больцмана и смещению его пика влево, в сторону меньших скоростей. При этом не должны наблюдаться никакие резкие превращения, за исключением, естественно, предельного перехода к абсолютному нулю температур (или -273 °С), когда частицы теряют всю энергию и перестают двигаться. При этом теория не содержала никаких правил или ограничений, связанных с упорядочением положений частиц, например, в форме правильной кристаллической решетки льда, не говоря уже о том, что переход в твердую фазу, очевидно, происходил задолго до достижения абсолютного нуля. Существование промежуточной жидкой фазы вообще оставалось непонятным.

Эта глава посвящена фазовым переходам, которые, возможно, являются центральной проблемой социальной физики. Именно таким переходам соответствуют неожиданные и резкие изменения в социальной сфере, которым многие социологи, по незнанию или из пристрастия к метафорам, дают необычные названия. В качестве примеров можно привести, например, теорию катастроф Рене Тома или концепцию точки касания Малькольма Глэдвелла2 в анализе тенденций современной архитектуры, норм поведения и моды (см. гл. 13). Постмодернистский архитектор Чарльз Дженкс пишет в этой связи о «созидательной силе и удивительных возможностях природы, связанных с фазовыми переходами, т. е. с резкими скачками организации материи и пространства», оправдывая этими терминами современную архитектуру, основанную на «нарушениях симметрии» и кажущейся неустойчивости3. Получившая широкую известность теория Томаса Куна4 о смене парадигм в развитии науки также представляет собой лишь один из упрощенных вариантов фазового перехода. Однако фазовые переходы вовсе не сводятся к удобной аллегории любых резких трансформаций, а действительно описывают изменения в общественной жизни, и физическая теория может быть использована для описания и понимания механизмов таких процессов.

Фазовые переходы играют огромную роль в статистической физике, и требуется немало времени и усилий, чтобы понять, почему они существуют и как протекают и как они обеспечивают переход между различными типами расположения частиц в веществе. Для понимания социальной физики, однако, достаточно иметь некоторый минимум знаний относительно того, почему и как такие переходы могут происходить вообще. Основная проблема сводится к объяснению стремительности фазовых переходов, т. е. к пониманию того, почему огромное число молекул, «счастливо» существующих сами по себе, вдруг неожиданно «принимают решение» сотворить вместе какой-нибудь А-Бумм!

ПРОБЛЕМЫ НЕПРЕРЫВНОСТИ

На первый взгляд кажется, что имеется возможность обойти неспособность кинетической теории газов объяснить существование фазовых переходов, приуменьшая значение этого недостатка. Не означает ли конденсация пара в воду при строго фиксированной температуре, что водяной пар перестает быть газом? Означает. Но тогда, следовательно, в этой точке просто перестают действовать газовые законы. Неспособность теории объяснить этот переход показывает, что в теории есть какое-то упущение, но ведь с объяснением поведения молекул пара при температурах выше точки конденсации все в порядке, не так ли? Нет, не так, совсем не так, и физики

XIX века это знали. Им уже давно было известно, что газ можно перевести в жидкость и другим способом, минуя фазовый переход. На научном жаргоне того времени это именовалось непрерывным переходом.

Первым это удалось продемонстрировать французскому аристократ Жаку Шарлю (барону Каньяр де ла Туру), который в 1822 году обнаружш что эфир, спирт или вода, нагреваемые в запаянных сосудах, могут плавн переходить из жидкого в газообразное состояние без фазовых переходо типа испарения и конденсации. В 1830 году Джон Гершель писал по этом; поводу:

Можно почти не сомневаться, что твердое, жидкое и воздухоподобное состояния вещества являются всего лишь предельными обозначениями состояний, разделенных очень четкими границами; однако в действительности между этими состояниями могут существовать и переходы, не обозначенные резкими границами, по которым эти превращения могут совершаться очень постепенно и незаметно5.

Позднее, уже в 1860-х, «состояния Каньяр де ла Тура» тщательно изучи, химик Томас Эндрюс из Королевского колледжа в Белфасте, пришедшиі к выводу, что «привычные нам газовое и жидкое состояния являются, соб ственно, лишь очень разделенными формами одного и того же состояни; вещества, и они могут переходить друг в друга через ряд столь последо вательных и постепенных изменений, что при переходе нельзя заметит] никаких нарушений непрерывности свойств»6.

Такой переход возможен только выше определенной температуры характерной для каждого вещества — флюида[29], ниже которой фазовьк превращения всегда носят только скачкообразный характер. Точку этоп перехода принято называть критической температурой или, менее точнс критической точкой[30].

Голландский физик Иоханнес Дидерик ван дер Ваальс (1837-1923) своеі докторской диссертацией 1873 года совершил, без преувеличения, огромныі научный прорыв, объединив в единое целое кинетическую теорию газов с объ яснением поведения жидкостей. Интересно, что он не ставил перед собой такук грандиозную цель, а пытался решить гораздо более скромную задачу, связан ную с капиллярностью. Опираясь в основном на идеи Пьера-Симона Лаплас; начала XIX века, он стремился описать поведение жидкостей на поверхности твердых тел, однако логика исследований привела его к гораздо более серьезны» проблемам, что дало множество неожиданных и важных результатов.

Кинетическая теория позволяла объяснять давление газов движением молекул, а ван дер Ваальс показал, что по этому же механизму создается давление жидкости на поверхность твердых тел. Ранее считалось, что это давление должно быть просто чудовищным по величине, поскольку из-за плотности жидкости поверхность твердого тела подвергается ударам огромного числа молекул, но никто не умел вычислять конкретные значения давления по физическим характеристикам конкретных жидкостей. Именно эту задачу хотел решить ван дер Ваальс, и единственным подходом, которым он мог воспользоваться, была кинетическая теория газов.