3. Законы: Аксиома борьбы за существование. Закон неуничтожаемости энергии
Аксиома борьбы за существование
Как Дарвин, так и Уоллес в теории естественного отбора ставили главный акцент на индивидуальное приспособление особи, позволяющее ей выйти победителем в борьбе за существование. Ясно, что в этом случае нельзя обойти роли простого случая. Независимо от хорошего приспособления, особь может погибнуть в результате простого стечения обстоятельств. В сумме, однако, большинство особей выживает благодаря тому, что они соответствующим образом приспособились к условиям жизни. Другими словами, не все особи имеют одинаковые шансы остаться в живых, то есть отмечается дифференцированное выживание особей (differential survival) в зависимости от их фенотипических и генотипических свойств.
Дарвин правильно считал, что выжившая особь имеет возможность оставить потомство и передать ему те полезные признаки, которые обеспечили данной особи победу в конкуренции с другими особями того же самого и других видов. Вскоре Спенсер ввел понятие выживания наиболее приспособленных, и этот термин завоевал себе право гражданства, а Дарвин пользовался им позже как синонимом естественного отбора.
Современная теория естественного отбора ввела, однако, и в этом пункте существенные поправки в первоначальную теорию дарвинизма. Прежде чем приступить к разбору следующих вопросов современной теории естественного отбора, следует остановиться несколько ближе на вопросе о том, какую особь, с точки зрения эволюции, можно назвать соответственно приспособленной.
Вопрос приспособления хорошо представлен в публикациях Т. Добржанского, на которых основываем наш анализ этого понятия. В какой бы то ни было популяции, живущей в постоянных условиях, общий запас ее генов, то есть генофонд, подвергается лишь незначительным изменениям. В результате наследственной изменчивости, заключающейся главным образом в рекомбинации генов, возникают разные генотипы. Не все они, однако, могут в равной мере передать следующим поколениям свои наборы генов. Одни из них вообще не размножаются, другие же производят меньше потомства, чем третье. Таким образом, между ними имеет место различная способность к размножению, которую англосаксы называют "differential fertility", то есть дифференцированная плодовитость.
Этим путем некоторые наборы генов постоянно элиминируются из популяции, а другие особи в определенной степени передают свои гены потомству. Ясно, что если в такой популяции путем мутации возникнут гены, которые расстроят способность к размножению обладающих ими особей, эти особи или вообще не будут размножаться, или количество потомства их будет очень ограниченным. В результате эти вредные гены будут отброшены из популяции. Отсюда важным показателем приспособления особи, или его эволюционной приспособленности, явится способность производить большое количество потомства, которое достигает половой зрелости и в свою очередь произведет следующее поколение. В оценке приспособления имеет значение не только индивидуальные свойства особи, как физическая сила или агрессивность, но и половая активность. Если раньше основное внимание обращали на дифференцированное выживание, то в настоящее время, прежде всего, принимаем во внимание дифференцированную плодовитость.
Закон неуничтожаемости энергии
Важнейшим достижением естествознания является установление закона сохранения энергии. Значение этого закона выходит далеко за рамки частного физического закона. Вместо с законом сохранения масс этот закон образует краеугольный камень научного материалистического мировоззрения, выражая факт неуничтожаемости материи и движения. Собственно, философские предпосылки для такого утверждения уже имелись налицо. Они были и у античных философов, особенно атомистов, и у Декарта, и особенно конкретно и отчетливо просматривались у Ломоносова.
В 1807 году член Парижской Академии наук французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак, изучая свойства газов, поставил опыт. До этого уже было известно, что сжатый газ, расширяясь, охлаждается. Ученый предположил, что это может происходить потому, что теплоемкость газа зависит от его объема. Он решил проверить это. Гей-Люссак заставил газ расширяться из сосуда в пустоту, т.е. другой сосуд, из которого был предварительно откачан воздух.
К удивлению всех ученых, наблюдавших за опытом, никакого понижения температуры не произошло, температура всего газа не изменилась. Полученный результат не оправдал предположения ученого, и он не понял смысла опыта. Гей-Люссак сделал крупное открытие и не смог его заметить.
Очень важную роль в развитии учения о превратимости сил природы сыграли исследования русского ученого Эмиля Христиановича Ленца, примыкающие в этом отношении к исследованиям Фарадея. Его замечательные работы по электричеству имеют явную энергетическую направленность и существенным образом содействовали укреплению закона. Поэтому с полным правом Ленц занимает одно из первых мест в плеяде творцов и укрепителей закона сохранения энергии.
Первым точно сформулировал этот великий закон естествознания немецкий врач Роберт Майер.
Роберт Юлий Майер (1814-1878) родился в Гейльбронне в семье аптекаря. По окончании средней школы Майер поступил в Тюбингенский университет на медицинский факультет. Здесь он не слушал математических и физических курсов, но зато основательно изучил химию у Гмелина. Закончить университет в Тюбингене без перерыва ему не удалось. За участие в запрещенной сходке он был арестован. В тюрьме Майер объявил голодовку и на шестой день после ареста был освобожден под домашний арест. Из Тюбингена Майер уехал в Мюнхен, затем в Вену. Наконец, в январе 1838 года ему разрешили вернуться на родину. Здесь он сдал экзамены и защитил диссертацию.
Вскоре Майер принял решение поступить на голландский корабль, отправляющийся в Индонезию, в качестве судового врача. Это путешествие сыграло важную роль в его открытии. Работая в тропиках, он заметил, что цвет венозной крови у жителей жаркого климата более яркий и алый, чем темный цвет крови у жителей холодной Европы. Майер правильно объяснил яркость крови у жителей тропиков: вследствие высокой температуры организму приходится вырабатывать меньше теплоты. Ведь в жарком климате люди никогда не мерзнут. Поэтому в жарких странах артериальная кровь меньше окисляется и остается почти такой же алой, когда переходит в вены.
Если количество теплоты изменяется, то работа и теплота обязаны своим происхождением одному и тому же источнику - окисленной в организме пище. Ведь работа и теплота могут превращаться одна в другую. Эта идея сразу дала возможность Майеру сделать ясным и загадочный опыт Гей-Люссака.
Если теплота и работа взаимно превращаются, то при расширении газов в пустоту, когда он не производит никакой работы, так как нет никакой силы давления, противодействующей увеличению его объема, газ и не должен охлаждаться. Если же при расширении газа ему приходится производить работу против внешнего давления, то его температура должна понижаться. Но если теплота и работа могут превращаться друг в друга, если эти физические величины сходные, то возникает вопрос о соотношении между ними.
Майер понял, что эта разность в теплоте обусловлена тем, что газ, расширяясь, совершает работу. Работу одного моля расширяющегося газа при нагревании на один градус определить нетрудно. Любой газ при малой плотности можно считать идеальным - его уравнение состояния было известно. Если нагреть газ на один градус, то при постоянном давлении его объем возрастет на некую величину.
Таким образом, Майер нашел, что для любого газа разность теплоемкости газа при постоянном давлении и теплоемкости газа при постоянном объеме есть величина, называемая газовая постоянная. Она зависит от молярной массы и температуры. Теперь это уравнение носит его имя.
Одновременно с Майером и независимо от него закон сохранения и превращения энергии разрабатывался Джоулем и Гельмгольцем.
Механический подход Гельмгольца, который он сам был вынужден признать узким, дал возможность установить абсолютную меру для "живой силы" и рассматривать всевозможные формы энергии либо в виде кинетической ("живых сил"), либо потенциальной ("сил напряжения").
Количество превращенной формы движения можно измерить величиной той механической работы, например, по поднятию груза, которую можно было бы получить, если целиком все исчезнувшее движение затратить на это поднятие. Экспериментальное обоснование принципа и заключается, прежде всего, в доказательстве количественной определенности этой работы. Этой задаче и были посвящены классические опыты Джоуля.
Джемс Прескот Джоуль (1818-1889) - манчестерский пивовар - начал с изобретения электромагнитных аппаратов. Эти приборы и явления, с ними связанные, стали конкретным ярким проявлением превратимости физических сил. В первую очередь Джоуль исследовал законы выделения тепла электрическим током. Так как опыты с гальваническими источниками (1841) не давали возможности установить, является ли теплота, развиваемая током в проводнике, только перенесенной теплотой химических реакций в батарее, то Джоуль решил поставить эксперимент с индукционным током.
Он поместил в замкнутый сосуд с водой катушку с железным сердечником, концы обмотки катушки присоединялись к чувствительному гальванометру. Катушка приводилась во вращение между полюсами сильного электромагнита, по обмотке которого пропускался ток от батареи. Число оборотов катушки достигало 600 в минуту, при этом попеременно четверть часа обмотка электромагнита была замкнута, четверть разомкнута. Тепло, которое выделялось вследствие трения, во втором случае вычиталось из тепла, выделяемого в первом случае. Джоуль установил, что количество тепла, выделяемое индукционными токами, пропорционально квадрату силы тока. Так как в данном случае токи возникали вследствие механического движения, то Джоуль пришел к выводу, что тепло можно создавать с помощью механических сил.
В работах 1847-1850 годов Джоуль разрабатывает свой главный метод, вошедший в учебники физики. Он дает наиболее совершенное определение механического эквивалента тепла. Металлический калориметр устанавливался на деревянной скамейке. Внутри калориметра проходит ось, несущая лопасти или крылья. Крылья эти расположены в вертикальных плоскостях, образующих угол 45 градусов друг с другом (восемь рядов). К боковым стенкам в радиальном направлении прикреплены четыре ряда пластинок, не препятствующие вращению лопастей, но препятствующие движению всей массы воды. В целях тепловой изоляции металлическая ось разделена на две части деревянным цилиндром. На внешнем конце оси имеется деревянный цилиндр, на который наматываются две веревки в одинаковом направлении, покидающие поверхность цилиндра в противоположных точках. Концы веревок прикреплены к неподвижным блокам, оси которых лежат на легких колесиках. На оси намотаны веревки, несущие грузы. Высота падения грузов отсчитывается по рейкам.
Расчеты Майера и опыты Джоуля завершили двухсотлетний спор о природе теплоты. Доказанный на опыте принцип эквивалентности между теплотой и работой можно сформулировать следующим образом: во всех случаях, когда из теплоты появляется работа, тратится количество тепла, равное полученной работе, и наоборот, при затрате работы получается то же количество тепла. Этот вывод был назван Первым законом термодинамики.
Согласно этому закону, работу можно превратить в тепло и наоборот - теплоту в работу. Причем обе эти величины равны друг другу. Вывод этот справедлив для термодинамического цикла, в котором система должна быть приведена к исходным условиям. Таким образом, для любого кругового процесса совершенная системой работа равна полученной системой теплоте.
Открытие Первого закона термодинамики доказало невозможность изобретения вечного двигателя. Закон сохранения энергии поначалу так и называли - "вечный двигатель невозможен".