2. Основные законы природы
2.1. Энергия как важнейшая характеристика материальных процессов
Анализ современного научного знания (см. гл.1) показал, что его деление на физику, химию, биологию и гуманитарные науки – это лишь удобный тактический приём, позволяющий более детально изучать различные стороны действительности. Отдельные науки, изучая разные уровни организации материи, устанавливают специфические для каждого уровня законы. Но некоторые из этих законов оказываются частными случаями общих фундаментальных законов природы, справедливых для всех материальных систем и процессов, что служит подтверждением единства мира.
К таким фундаментальным всеобщим законам в первую очередь следует отнести законы превращения веществ и энергии. Но, учитывая, что вещество определяется как нечто, имеющее массу (см. п.1.1.), а масса (m) связана с энергией (Е) знаменитой формулой Эйнштейна:
Е = m c2 , (2.1)
где с – скорость света в вакууме,
достаточно говорить лишь о законах превращения энергии.
Прежде чем рассматривать эти законы, необходимо чётко определить суть понятия «энергия». Опыт обсуждения этого понятия выявил парадоксальную ситуацию, когда подавляющее большинство людей, даже имеющих высшее образование, не могут объяснить, что такое энергия. Это опять-таки демонстрирует, как в нашей жизни отсутствующее действительное знание заменяется словоблудием. Мы ещё раз убеждаемся, что произносить слово и широко на каждом шагу его использовать вовсе не означает понимать, что в действительности оно означает. Пагубность ситуации состоит в том, что неспособность объяснить смысл произносимых слов означает и неспособность применять знание на практике. Среди студентов только примерно один из пятидесяти мог дать определение механической работы как силы, умноженной на расстояние, или, реже, определить изменение электрической энергии как произведение напряжения и величины перемещённого заряда.
Философия, которая является наукой, обобщающей всё человеческое знание, даёт следующее очень простое определение энергии: энергия – это мера движения материи. Под движением имеются в виду любые изменения в материальных системах. Все изменения есть результат взаимодействия систем. В результате взаимодействия системы изменяют свои характеристики. Мерой этих изменений и является энергия. Таким образом, взаимодействие есть процесс, в результате которого одни системы получают, а другие – теряют энергию, а весь мир есть множество систем, обменивающихся энергией.
Предельно абстрактно любую систему можно изобразить так:
Из приведённых рассуждений следует, что, если в наблюдаемой системе происходят какие-либо изменения, это означает, что система либо получает, либо теряет энергию. Получение энергии обычно (но, возможно (?), не всегда) сопровождается изменением количественных характеристик в сторону увеличения. Например, может возрасти масса, увеличиться давление или объём, повыситься температура и т.д. Система перейдёт в новое состояние с высоким уровнем энергии.
И, наоборот, теряя энергию, система изменит свои характеристики в противоположном направлении и перейдёт в состояние с низкой энергией.
Можно привести и более конкретный пример реальной системы в виде стакана с жидкостью, в которой происходит взаимодействие разных химических веществ (рис.2.2).
Рис. 2.2. Некоторые варианты результатов взаимодействий молекул в растворе
Изменение окраски раствора (вариант 1) уже есть изменение, следовательно, является свидетельством взаимодействия и превращения энергии. Цвет может не измениться, но измèниться температура (вариант 2), следовательно, также произойдёт взаимодействие с превращением энергии. Могут происходить и любые другие изменения: появятся пузырьки газа (вариант 3), может выпасть осадок, затвердеть раствор и т.д. На практике чаще наблюдаются комбинации различных изменений.
Наблюдения за происходящими изменениями и лежат в основе научных исследований. Регистрируя изменения, учёный начинает искать причины (системы, которые взаимодействуют друг с другом), определяет количественные соотношения между изменениями, в результате появляется открытие нового типа взаимодействия, нового вида сил или неизвестного ранее явления. Именно поэтому понятие энергии является одним из важнейших при описании природных явлений.
Вся наша деятельность – это взаимодействия с различными системами и производство каких-либо изменений в окружающем мире.