> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Эти и другие особенности развития советской Э

Эти и другие особенности развития советской Э

Эти и другие особенности развития советской Э. прошли свою историческую проверку в годы войны с фашистскими захватчиками. Советская Э. это испытание выдержала, демонстрируя торжество ленинскосталинской социалистической электрификации.

Э. в пятилетием плане восстановления и развития народного хозяйства СССР на 1946—1960 гг. «Основные задачи нового пятилетнего плана состоят в том, чтобы восстановить пострадавшие районы страны, восстановить довоенный уровень промышленности и сельского хозяйства и затем превзойти этот уровень в более или менее значительных размерах» ( Сталин).

В Законе о новом пятилетием плане предусмотрен ввод в действие на электростанциях страны 11,7 млн. кет, чем установл!нная мощность электростанций будет доведена в 1950 г. до 22,4 млн. кет (удвоение по сравнению с 1940 г.).

Выработка электроэнергии в стране должна достигнуть в 1950 г. 82 млрд. квт-ч (на 70% больше, чем в 1940 г.).

О масштабах работы по развитью электроэнергетической базы народного хозяйства можно судить по следующему сравнению: Ленинский план ГОЭЛРО, рассчитанный на Юг—15 лет, предусматривал ввод в эксплоатацию новых 1,5 млн. кет. В текущей пятилетке в среднем ежегодно предстоит построить и ввести в строй 2 млн. кет. Для сравнения можно указать также, что среднегодовой ввод новых мощностей на электростанциях США составил 0,9 млн. кет за пять лет, предшествовавших войне (1935—1939 гг.), 1,8 млн. кет за военное пятилетие (1940—1944 гг.) (по данным «Е1. World», станции общего пользования).

Одной из важных особенностей строительства электроэнергетической базы в послевоенную пятилетку является создание в народном хозяйстве постоянных резервов мощностей в основных районах страны. В новой пятилетке, при росте выработки электроэнергии по сравнению с 1940 г. на 70%, мощность электростанций должна возрасти на 100%

Предстоят глубокие изменения в структуре электроэнергетического хозяйства и в развитии электроэнергетических систем. Эти изменения, прежде всего, определяются повышением роли гидроэнергетики. В новой пятилетке предстоит ввести в строй 3,3 млн. кет гидростанций — 28% общего прироста электрической мощности в течение пятилетки.

Удельный вес гидроэнергии в электробалансе страны должен возрасти, примерно, в 1,5 раза. Строительство гидростанций охватывает почти все районы страны. Их мощности измеряются от десятков киловатт до сотен тысяч киловатт. 1 млн. кет должны дать мелкие гидроэлектростанции. Ввод в строй гидростанций значительно укрепит электроэнергетическую базу страны и повысит экономичность электроснабжения. Гидроэнергостроительство в следующие пятилетки будет развёртываться на расширенной основе, и удельный вес гидроэнергии в электробалансе должен еще более возрасти.

Несмотря на опережающие темпы развития гидроэнергетики, центр тяжести нового энергостроительства остаётся на тепловых электростанциях, на долю которых падает 85% общего электробаланса страны в 1950 г. и около 70% общего количества вводимых в строй новых мощностей.

Теплоэлектроцентрали, комбинированно использующие долдаво длявыработки электрической и тепловой энергии, будут и впредь основными объектами теплоэнергетики. Предусмотрено строительство 21 ТЭЦ из 37 новых районных тепловых станций.

Наряду с ТЭЦ, развитие получат также конденсационные станции у топливных баз на местном низкосортном топливе или на отходах углеобогащения. Ряд таких электроцентралей будет построен в московской, донецкой и других системах.

В новой пятилетке, наряду с дальнейшим строительством и развитием районных электросистем, будут развёрнуты работы по межрайонному объединению электросистем. Объединение соседних районных систем повышает надёжность энергоснабжения, при меньших или при тех же резервных мощностях, которые необходимы в условиях изолированной работы отдельных систем; оно обеспечивает возможность рационального использования гидроэнергетических ресурсов, улучшения топливного баланса и снижения издержек производства энергии.

В стадии формирования находится центральная электросистема, которая объединяет Горьковскую, Ивановскую и Ярославскую электросистемы с Московской. Значительно вырастает межрайонная Уральская электросистема, в связи со строительством крупнейшей Молотов-ской ГЭС, а также в связи с включением в электросистему Богословского энергетического узла. Восстановление и дальнейшее развитие получит Южная межрайонная электросистема, объединяющая Донецкую, Днепровскую и Ростовскую электросистемы. Закладываются основы будущей Закавказской объединённой системы.

Главным фактором в строительстве межрайонных систем выступают гидроцентрали — Верхневолжские ГЭС, каскад Камских ГЭС с первоочередной Молотовской, Днепровская и затем Кременчугская ГЭС и др.

Важную роль в формировании межрайонных электросистем будет играть электрификация основных магистралей железных дорог.

Строительство внутри- и межрайонных электрических сетей должно получить высокие темпы. Трудно переоценить ту роль в осуществлении этого основного направления развития электрохозяйства, которую сыграет промышленное освоение высоковольтных передач на постоянном токе, специально записанное в Законе о пятилетием плане.

Наряду с дальнейшим развитием теплофикации, как составной части электроэнергетических систем, широкое развитие получит газификация.

В дальнейшем следует ожидать превращения электро-теплоснабжа-ющнх систем в электро-тепло-газо-снэбжающие или, иначе, полные энергетические системы. С этим, в свою очередь, связаны существенные изменения в решении ряда принципиальных вопросов структуры и режима энергетических систем.

В новой пятилетке произойдут глубокие изменения в энерговооружении всех отраслей народного хозяйства на основе электрификации, газификации и теплофикации.

В электрификации процессов, обслуживаемых двигательной силой в промышленности, главными задачами являются: а) завершение комплексной механизации, в особенности в таких трудоёмких отраслях, как топливная, металлургическая, строительная и др., б) широкое’ Ёнедрение индивидуального и многомоторного автоматизированного электроприводов, автоматизированных агрегатных машин, расширение применения рабочих машин, где либо привод органически слит с исполнительным механизмом, либо механическая обработка материалов заменяется электрохимическими процессами.

Дальнейшее широкое развитие получает электротехнология. Пятилетним планом предусмотрена необходимость: «Расширять применение

Электротехнологии в производстве лёгких и цветных металлов, легированных сталей, химических продуктов и в металлообработке».

Наряду с электрификацией, развитие получает газификация высокотемпературных процессов и теплофикация низкотемпературных процессов промышленности.

В новой пятилетке должно быть электрифицировано 5. 325 км железных дорог. Это в 2,5 раза превышает

1 современную протяжённость электрифицированных железных дорог. Особенностью нового пятилетнего плана электрификации железных дорог является переход от электрификации отдельных участков к электрификации железнодорожных магистралей большого протяжения, что ещё б о лее повышает народнохозяйственную эффективность электрификации. Предстоит электрификация магистралей, соединяющих Кузбасс с Уралом, Карагандинский бассейн с Магнитогорским бассейном, Южный Урал с Северным.

Исключительно большой размах получит развитие электрификации сельского хозяйства. В 1946—1950 гг. предстоит увеличение числа электрифицированных колхозов в 8—10 раз, по сравнению с довоенным уровнем, наряду с широким охватом электрификацией совхозов, МТС и МТМ. Таких темпов и масштабов электри-| фикации сельского хозяйства не знает ни одна страна.

Основным направлением в разви-тип электроэнергетической базы сельского хозяйства является сочетание централизованного (от районных и промышленных электросистем, от электрифицированного транспорта) и местного электроснабжения. Главную роль в развитии местного энергоснабжения должны сыграть гидростанции небольшой мощности. В течение новой пятилетки должны быть построены и введены в эксплуатю во всех районах страны местные гидростанции общей мощностью в 1 млн. кет.

В дальнейшем, в связи с развитием местных электросистем, возрастающую роль будут играть ветроэлектростанции: Большое значение всельском хозяйстве должны получить и тепловые электростанции на местных видах топлива, включая топливные отходы сельскохозяйствен-ного производства.

Основным направлением реконструкции и развития Э. городов продолжает оставаться сочетание электрификации, теплофикации и газификации. Это сочетание централизованных источников энергоснабжения радикально решает коренные вопросы как Э., так и общего ‘ улучшения условий жизни населен ‘

ния, а также увеличения трудовых ресурсов в стране.

В исторической речи И. В. Сталина 9 февраля 1946 г. указаны перспективные уровни по ряду важнейших отраслей промышленности, которые должны быть достигнуты в нашей стране в течение, примерно, трёх пятилеток: чугуна — 50 млн. тп, стали — 60 млн. т, угля — 500 млн. т, нефти — 60 млн. т. Соответствующая этим уровням структура промышленности и всего народного хозяйства определяет электрический баланс страны, как это показывают предварительные расчёты, примерно в 250 млрд, квт-ч. Электрификация страны на этом этапе будет характеризоваться всесторонней электрификацией коммунально-бытовых нужд городов; комплексной электрификацией сельского хозяйства во всех районах страны; электрификацией до 30 тыс. км железных дорог; широким развитием электротехнологии в промышленности и дальнейшим углублением электрификации рабочих“ машин. Будет в основном завершено строительство межрайонных электроэнергетических систем — секции единой высоковольтной сети, охватывающей основные экономические районы как в европейской, так и в азиатской частях страны.

Развитие электрификации будет сопровождаться освоением новейшей техники во всех звеньях энергетической цепи. Особое значение приобретает решение таких научно-технических задач, как высоковольтные электропередачи на постоянном токе, подземная газификация углей, газовые турбины и реактивные двигатели, промышленное применение внутриядерной энергии.

Освоение и широкое внедрение этой новой Э. определит новый этап и в развитии техники всех отраслей народного хозяйства.

В. Вейц.

Литература: Ленин В. И., «Обэлектрификации», М.,1936; «План электрификации РСФСР», М.,НТО ВСНХ, 1920; К ржижаноеский Г. М., «Об электрификации», [М.], 1921; его же, «Основные задачи электрификации России», М., 1920; его же, «Сочинения», т. I— «Электроэнергетика», М.—Л., 1933; Степанов И. И.,

«Электрификация РСФСР в связи с переходной фазой мирового хозяйства». Предисловие Н. Ленина и Г. Кржижановского, М., 1922; «Материалы Всесоюзной топливной конференции». Март, 1930, [2 изд.], т. I — II, М. —Л., 1930; «Энергетическое хозяйство СССР», [ред.

B. И. Вейц], т. 1 — «Фабричнозаводская энергетика, электроцентрали, энергетический, электрический и топливный балансы», т. II— «Техническая характеристика промышленной энергетики», М.—Л., 1931

(Госплановая комиссия); «Труды Первого Всесоюзного съезда по теплофикации, Москва, январь, 1930», [М.], 1931; Вейц В. И., «Современное развитие электрификации в капиталистических странах», Л., 1933; «Электроэнергетика СССР». Коллективное исследование под научн. руковод. В. И. Вейц, изд. АН СССР, Л., 1934; Ефремов Д. В. и Радовский М. И. (сост.), «Динамомашина в её историческом развитии. Документы и материалы», под ред. акад. В. Ф. Миткевича, Л.,1934; их же, «Элекро-двигатель в его историческом развитии. Документы и материалы», под ред. акад. В. Ф. Миткевича, I—, М.—Л., 1936; «Атлас энергетических ресурсов СССР», т. I — II, Госэнер-гоиздат, М. — Л., 1933 —1935; «Энергетика отраслей народного хозяйства». Сост. Е. А. Руссакоеский и

А. И. Шефтел, ОНТИ, М. —Л., 1935; Вейц В. И., «Развитие электросистем и строительство централизованной электроэнергетической базы СССР», в кн.: Сборник докладов на VIII конференции по большим электрическим сетям высокого напряжения (Париж, 1935 г.). Изд-во ОНТИ, М.~ Л., 1937; Кузнецов Б. Г., «История энергетической техники», М. — Л., 1937; его же, «Два века русской электротехнической мысли», «Электричество», М., 1937, Же 11; «Энергетические ресурсы СССР». Под общ. ред. Г. М. Кржижановского, т. I—II, изд-во АН СССР, [М.], 1937—38; Радовский М. И., «Пионер русской электротехники В. Н. Чи-колев», «Электричество», М., 1938, Же 12, стр. 1—5; Кукел-Краевский

C. А., «Электроэнергетическая система», ГОНТИ, М., 1938; Золотарев Т. Л., «Гидроэлектроцентраль в

Электроэнергетической системе», М.— Л., 1939; Лебедев В. И., «Первые русские электрические лампочки», «Электрификация», М., 1939, Ае 4, СТр. 4—G; Пробст А. Е., «Основные проблемы географического размещения топливного хозяйства СССР», ] 1.—Л., 1939;. Радовский. М, И «Ломоносов и его исследования в области атмосферного электричества», «Электричество», М., 1939, №1, стр. 69—72; Некрасов Я. Я., «Газификация в народном хозяйстве СССР», М. — Л., 1940; Данилевский В. В., «И. И. Ползунов», М. — Л-, 1940; «Академик В. В. Петров. 1761—1834. К истории физики и химии в России в начале XIX в.», Сб. статей и материалов, под ред. С. И. Вавилова, изд. АН СССР, М. — Л., 1940; Вейц

В.,«Электроэнергетика в социалистическом хозяйстве», «Плановое хозяйство», М., 1941, № 3; Мелентъев Л. А., «Вопросы энергоснабжения промышленных центров», М. — Л., 1941; его же, «Теплофикация», ч. 1, М. — Л., 1944; Капцов Н.А., «Павел Николаевич Яблочков. 1894—1944», М. — Л., 1944; Берг А. И. и Радовский М. И.г «Александр Степанович Попов (К 50-летью изобретения радио)», М. — Л., 1945; Белъкинд Л. Д«М. О. Доливо-Добровольский», «Электричество», М., 1945, Ае 3; Шателен М. А» и Радовский М. И., «Электротехника в Академии наук СССР за 220 лет», там же, Ае 6; Захарьин А. Г «Электроснабжение сельскохозяйственных районов в условиях широкой электрификации сельскогохозяйства », там же, А1е 4; Листов П. Я., «Электрификация полеводства», там же; Вейц В. Я., «Энергетические характеристики и коэффициент полезного действия промышленной энергетики», «Известия Академии Наук СССР. Отделение технических наук», М., 1946, А» 11; Вейтков Ф., «Летопись электричества», 2 изд., М. — Л., 1946; Болотов В. В., «Теоретические основы выбора экономичного режима сложной электроэнергетической системы», М. — Л., 1947; «Экономия электроэнергии в промышленности», под ред. В. И. Вейца, Госэнергоиз-дат, М. — Л., 1947; РудометовИ. Я., «Русские электротехники», М.—Л., 1947; Данилевский В. В., «Русскаятехника», [Л.], 1947; «Развитие эле.к-

«

тротехники в Советском Союзе за 30 лет», «Электричество», [М.], 1947, Ае 11; журналы: «Электричество»

(журнал основан в 1880); «Электрические станции» (М., 1930—); «Промышленная энергетика» (М., 1944— ); «За экономию топлива» (М., 1944— ); «Гидротехническое строительство» (М., 1930 — ); «Вестник электропромышленности» (М. — Л., 1930); труды мировых энергетическ. конференций: «First World Power Conference, Transactions, London. 1924» (5 vis, L., 1925); «Zweite Weltkraftkonferenz, Berlin, 1930. Gesamtbericht» (Bd I— XX, B., 1930); «Third World Power Conference. 1936. Transactions (10 vis, [Washington, 1938]).

Энергия (греч. svsp7La:sv—в,scvov— работа, действие), одна из мер движения и взаимодействия тел; обычно определяется как способность физического тела производить работу (смотрите работа, XXXIV, 350/59), Э. — важнейшее физическое понятие; оно имеет огромное теоретическое и практическое значение вследствие существования закона сохранения Э. (смотрите сохранения энергии закон, XL, 282), относящегося к основным законам природы. Понятие Э. непосредственно связано с понятием о взаимодействии физических тел, являясь одной из основных характеристик взаимодействия. Соответственно различию между видами взаимодействия имеет место различие между видами Э. Так, например, с механическими движениями связана механическая

Э., с электромагнитными — электромагнитная, с явлениями тяготения — гравитационная и так далее Однако не следует представлять себе дело так, что все эти виды Э. не связаны друг с другом.

Ценность понятия энергии в том и заключается, что оно позволяет обозреть, разобраться во взаимозависимостях, существующих между самыми разнообразными физическими явлениями. Эти взаимозависимости выражаются в том, что один вид Э. может при определённых условиях превратиться в другой, причём для всей совокупности различных видов Э. справедлив закон сохранения Э. Сохранение каждого вида Э. в отдельности возможно лишь в том случае,

когда рассматривается весьма специальный класс явлений, для которых возможно игнорировать роль других видов Э.

До XIX в было известно лишь понятие механической Э. Общее значение Э. было выявлено в середине XIX в., когда Р.Майер (в 1842 г.), а затем Гельмгольтц (в 1847 г.) сформулировали закон сохранения Э. в его общей форме. Однако приоритет в установлении этого основного закона природы принадлежит М. В. Ломоносову (смотрите XXVII, 364). В работах Гельмгольтца этот закон получил трактовку как принцип механического мировоззрения, именно как закон сохранения суммы кинетической и потенциальной Э. В XIX в была выявлена роль закона сохранения Э. при описании макроскопических физических процессов в качестве первого“ начала термодинамики (смотрите теплота, XLI, ч. 7, 488). Философское значение понятия Э. и закона сохранения Э., а также роль закона в естествознании в целом были выяснены в начале восьмидесятых годов прошлого века Фр. Энгельсом.

Идея сохранения движения в общей, философской форме была высказана ещё Декартом. Однако физическая формулировка этого принципа в виде закона сохранения абсолютной величины количества движения тел при их столкновениях и применение этого закона Декартом имело характер одного из следствий его чисто умозрительных построений и мало имело общего с физической реальностью. Закону сохранения количества движения (импульса) системы в дальнейшем была дана правильная формулировка в исследованиях Гюйгенса. Он же впервые открыл закон сохранения живых сил при упругих столкновениях тел.

Идея о сохранении некоторой меры движения и взаимодействия тел в физике XVIII столетия имела вид идеи сохранения и взаимодействия «флюидов». В этот период развития физики предполагалось, что каждое состояние — химическое, тепловое, магнитное и так далее обусловленой де-ствием особого агента «флюида» — флогистона, теплорода, магнитной жидкости и тому подобное. Потребовался длительный. период исследования, чтобы доказать, что все эти т. н. «невесомые» субстанции в действительности не существуют, что различные формы изменений, происходящих в телах имеют атомистическую основу. Ампер доказал отсутствие особой магнитной жидкости; ещё до него Ломоносов и затем Лавуазье устранили из науки флогистон; наконец, Р. Майер, Джоуль, Клаузиус доказали фиктивность теплорода. Однако идея «флюида» существовала и в дальнейшем, приняв форму идеи эфира, с помощью которого описывали электромагнитные, гравитационные и оптические явления (Фарадей, Максвелл и др.). Наконец, Майер, Джоуль и Гельмгольтц установили количественные отношения между различными видами Э. и сформулировали закон сохранения Э. в том виде, как он имеет место и в настоящее время, поскольку возможно отвлечься от релятивистской природы процессов.

Мы рассмотрим здесь механическую Э. и несколько более подробно гравитационные взаимодействия (Об электромагнитной Э. см. электричество; см. также теплота).

Механическая энергия. С механическими процессами, т: е. с движением масс, процессами столкновений и тому подобное., непосредственно связана кинетическая Э. Пусть дано тело, о котором мы предположим, что оно не связано с другими телами, т. е. может свободно двигаться в различ -ных направлениях. Пусть это тело отнесено к некоторой системе отсчёта и имеет, таким образом, координаты ху у у Zy cty где Ху у у z — пространственные координаты тела, а г — время, с — релятивистская константа, имеющая размерность скорости и равнаяс=300000 км/сек. (1)

В любой инерциальной системе отсчёта между энергией Е этого телаи его импульсом р имеется соотношение:

= Const, (2)

где постоянная, стоящая справа, не зависит от выбора той или иной инерЦиальной системы отсчёта. Если4 мывыберем систему отсчёта так, что в ней импульс тела равен нулю:

Рα= °> (3)

т. е. перейдём к системе, движущейся вместе с телом, то в такой системе отсчёта будет:

(Д0)·=с“- Const, (4)

чем и определяется физический смысл инварианта (2) как Э. тела в движущейся вместе с ним системе отсчёта (иначе называемой собственной энергией тела, или энергией покоя). Константа справа в (2) равна т20с2, где т0 — масса покоя; так что

Е0=т0с2. (5)

Это соотношение, устанавливающее эквивалентность массы и Э., является одним из важнейших положений современной физики.

Уравнение (2), т. е. уравнение

Е

V

р-=т с->

(6)

можно переписать в виде:

если вместо импульса р ввести скорость у, пользуясь соотношением

др

Пусть имеется N тел, дижущихся относительно дайной системы отсчёта

—> —v —У

со скоростями уь у2и у. Пусть они имеют энергии

пг01с8

>

женной внешним энергетическим воздействиям, остается с течением времени постоянным. При этом сейчас же возникает вопрос о пространственно-временной характеристике такой системы и введении для неё общего времени и соответствующей системы отсчёта, в которой формулируется закон сохранения. Это связано с тем, что закон сохранения Э. всегда должен быть дополнен законом сохранения импульса р. Каждая из упомянутых частиц имеет импульс, равный

niQa Uа

(Ю)

Закон сохранения импульса гласит, что суммарное значение импульса

N

(И)

сохраняет с течением времени 7io-стоянное значение.

Равноправность систем отсчёта в релятивистском смысле выражается существованием релятивистски инвариантного закона сохранения Э. и импульса:

=0(/=1, 2, 3, 4) (12)

(если рассматривать задачу в рамках специальной теории относительности), где тг- — компоненты энергетического релятивистского вектора. Рассматривая все эти N не взаимодействующих частиц в качестве материальной системы, мы можем выбрать систему отсчёта так, что в ней результирующий импульс (11) равен нулю:

рД=о. (13)

гп02с“

Закон сохранения Э. лля этих тел, которые мы рассматриваем как независимые от внешних влияний, может быть сформулирован в следующем виде: запас Э. системы, не подвер -

По предыдущему мы можем написать в этой системе отсчёта для энергии Е всей системы:

Е0=М, (14)

где Мо — масса всей системы. Если v0n — скорость а-ой частицы в этой системе отсчёта, то:

N

а=1

ГПоа С2

так что покоящаяся масса всей системы частиц равна:

т. е. не равна сумме

moi + +mo.r (17)

покоящихся масс, а зависит от их скоростей. Эго означает, в частности, что газ при нагревании становится тяжелее, так как его масса увеличивается. Величина А =М — (т01 + -г то2- . + w0.y) называется дефектом массы. Если система движется какцелое со скоростью и, дает энергией:

то она обла-

<18)

с2

и импульсом:

»

(19)

что легко доказать, пользуясь лорен-цевским преобразованием, т. е. перейдя от системы отсчёта, в которой система покоится, к системе, движущейся но отношению к ней со ско-->

ростью V.

Если скорость тела мала в сравнении со скоростью с так что можно пренебречь высшими степенями отношения ~ в сравнении с единицей,

то тогда выражение для энергии Е получает вид:

Е=т0+™£-+; (20)

выражение

Т=Е — т0с2 (21)

называется кинетической энергией. Для малых скоростей:

Т= ; (22)

для любых же скоростей (меньше с конечно):

Простейшим—с энергетической точки зрения — механическим процессом является упругое столкновение двух тел. Как показывает опыт, этот процесс всегда происходит с выполнением законов сохранения Э. и импульса, а именно, если Тх и Т2 и

Pi и р2 — энергии и импульсы телдо столкновения, а Т и Т£, рх ир2 — после столкновения, то всегда:

Pl+P2=Pi +Рч Tt + TTS + T/.

Как показывают эти уравнения, процесс столкновения можно описать, задав восемь независимых величин, за каковые можно выбрать, например, рх и р2 и полярные углы, определяюшие направление импульса р в системе отсчёта, центр которой движется вместе с центром инерции сталкивающихся тел. Эта система отсчёта очень удобна при исследовании столкновений, так как в ней сталкивающиеся тела лишь изменяют направления импульса, сохраняя их величину. В этой системе результирующий“ импульс равен нулю.

Более сложным процессом является неупругое столкновение, при котором происходит изменение собственной Э. сталкивающихся тел. Этот процесс имеет место при столкновении сложных систем, состоящих из отдельных составных частей, энергетически связанных, или при условиях, когда происходит трансформация одних частиц в другие. При неупругом столкновении происходит изменение связей между компонентами сталкивающихся систем, т. е. часть Э. переключается на эти изменения. Законы сохранения Э. и импульса и здесь являются основным руководящим принципом.

Исследование механических процессов приводит к заключению, что характеристика их посредством кинетической Э. и импульса недостаточна, так как взаимодействия существенным образом зависят от взаимного расположения рассматриваемых физических тел. К формулировке этой зависимости мы и перейдём.

В рамках старой механики Ньютона — Лагранжа средством решения

Энергий

1Й8

задач о взаимодействии частиц было представление о силах, действующих на массу частицы. Примитивная, но весьма разработанная математически теория, не вникая в существо взаимодействия, принимала“ за основу, что величина механической силы, развивающейся между удалёнными друг от друга частицами, определяется, прежде Есего, их взаимным положением для одного и того же момента времени. Иными словами, энергетические соотношения в системе из частиц определяются, во-первых, их скоростями и массами — через кинетическую энергию и во-вторых, мгновенной конфигурацией системы—через потенциальную энергию U. Пусть рассматриваемые нами взаимодействующие частицы помещены в точках, определённых радиус-век-

—У —> —►

торами г1У rv. Пусть затем они

, - ->

перемещаются в точки г/, r2 г,у.

Тогда возникают следующие энергетические соотношения. Классическая механика имеет дело с обратимыми процессами и, соответственно этому, понятие механической Э. не зависит от параметров, определяющих процесс перехода из одного состояния в другое, а только от параметров, определяющих начальное и конечное состояние системы (с этой точки зрения введение понятия о связях—голоном-ных и неголоиомных—представляет собою обобщение, непосредственно связанное с введением термодинамических понятий).

В простейшем случае, когда силы имеют потенциал, мы можем написать между А — работой внешних сил, A=Fdz, изменением кинетической Э. системы Т и потенциальной Z7, следующее соотношение:

d(r + £7) —Л;, т. е. изменение Э. системы

Е =-T + U ‘

равно внешней работе, положительной («против системы» или в «направлении внешней силы») или отрицательной («совершаемой системой» или «против внешней силы»).

Для системы, состоящей из N частиц, следует различать полную потенциальную Э. системы и потенциальную Э. одной частицы, возникающую благодаря воздействию других; т. е. для потенциальной Э. нет аддитивности. Так, например, если имеется N частиц, взаимодействующих по закону Кулона, т. е. с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния, причем N1 из них отталкиваются между собой, но притягиваются каждой из остальных (N—N1)t также отталкивающихся между собой, то потенциальная Э. отдельной частицы, k-ой, даётся выражением;

Const

Полная потенциальная Э. такой системы равна:

Случаи взаимодействия с силами, обратно пропорциональными квадрату расстояний, мы имеем, во-первых, в притяжении масс (гравитационное взаимодействие ср. тяготение, XLII, 1/8), и, во-вторых, в электростатике. В первом случае имеет место только притяжение, во втором — притяжение и отталкивание (ср. электричество, LII, 10 сл.).

Понятие потенциальной Э. вначале непосредственно было связано с концепцией дальнодействия, которая лежит в основе механики Ньютона — Лагранжа. Однако уже во второй половине XIX в выяснилось, что концепция дальнодействия несостоятельна, в частности, уже потому, что в её рамках, собственно, и не может быть поставлен вопрос о физическом существе процесса передачи взаимодействия между удалёнными друг от друга телами. И действительно, делавшиеся в огромном числе попытки рассмотреть понятие потенциальной Э., оставаясь в пределах механики Ньютона, все. оказались безуспешными. То обстоятельство, что, несмотря на принципиальную несостоятельность этой концепции, всё же очень большая группа физических явлений может быть хорошо исследована и с помощью этой теории, объясняется тем, что скорость передачи взаимодействия черезвычайно велика в сравнении со скоростями масс, фигурирующих в этих явлениях, и, таким образом, может считаться как бы бесконечно большой. Но при более точном анализе взаимодействий выясняется необходимость перехода к более последовательной теории, которая позволяла бы правильно учесть конечную скорость передачи взаимодействия— с. Таким образом, в теорию взаимодействия, в формулировку зависимости энергетических соотношений должна существенным образом входить скорость с и это ведёт к пересмотру понятия потенциальной Э. Эта проблема была рассмотрена уже в 1858 г. Б. Риманом (смотрите), исследовавшим вопрос о том, каким уравнением должно быть заменено основное уравнение электростатики— уравнение Пуассона (смотрите LII, 44/47),—если мы учтём скорость передачи взаимодействия. Решение этой задачи, однако, было достигнуто лишь более полвека спустя в теории относительности А. Эйнштейна (смотрите). Было выяснено, что передача взаимодействий, лежащая в основе понятия потенциальной Э. старых механических теорий, осуществляется как непрерывный процесс, от точки к точке, со скоростью с независимо от выбора системы отсчёта, относительно которой фиксируется эта скоросаь. Скорость эта оказалась существенным образом связанной с основными свойствами пространственно-временной координации физических явлений. В то время как во всех других случаях скорость определяется по расстоянию и времени, в которое пройдено это расстояние, в данном случае время определяется по расстоянию и по скорости с. При этом принципиальное значение имеет то, что эта скорость одинакова во всех инерциальных системах отсчёта (релятивистская инвариантность с).

С математической точки зрения переход от приближенной теории дальнодействия к теории взаимодействия, распоетраняющегося от частицы к частице с конечной, инвариантной скоростью с состоит в переходе от уравнения эллиптического типа (уравнение Лапласа —Пуассона), определяющего зависимость потенциала от координат, к уравнениям гиперболического типа, а именно — к уравнению Даламбера, т. е. к уравнениям, имеющим вещественные характеристики. Это значит, что интегралы этогоуравнения описывают— при геометрической интерпретации — движущиеся поверхности, по разные стороны которых сосуществуют различные физические состояния среды; именно, по одну сторону от поверхности возбуждение еще не возникло, а на другой оно уже имеется. Возможность такого сосуществования определяется тем, что для данного типа уравнений оказываются выполненными на упомянутых поверхностях условия непрерывности, наложенные на величины, характеризующие энергетическое состояние тел в зависимости от их взаимного пространственно-временного положения. Эти движущиеся поверхности и являются не чем иным, как фронтами волн действия, распространяющегося со скоростью с во все стороны от действующей частицы. ‘

Таким образом, в более развитой теории понятие потенциальной Э., определяющейся мгновенной конфигурацией взаимодействующих частиц, уступает место понятью о возмущении, распространяющемся во все стороны с инвариантной скоростью с по всем направлениям от частицы, создающей это возмущение. Более точный физический смысл этого положения может быть выяснен после рассмотрения тех изменений, которые претерпевает понятие потенциальной Э. при переходе к более точной теории.

Рассмотрим, прежде всего, гравитационные взаимодействия. Пусть даны две массы гнх и та» находящиеся на расстоянии г13 друг от друга. Между этими массами развивается механическая сила /12, пропорциональная им и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Изменение взаимного положения этих масс связано с совершением некоторой положительной или отрицательной механической работы и, следовательно, сьязано с изменением потенциальной Э., определяющей силу этого (гравитационного) взаимодействия. При ближайшем рассмотрении этой проблемы выясняется существенная, принципиальная зависимость гравитационного взаимодействия от кинематических, пространственно-временных соотношений. Ситуацию, имеющую место в данном случае, можно охарактеризовать следующим образом.

Пространственно-временная координация физических событий выражается соотношениями фивической геометрии, т. е. соотношениями, существующими между реальными масштабами, часами, системами отсчета и так далее Следует проводить различие между пространственной геометрией и геометрией пространственно-временных соотношений. Первая является лишь весьма частной специализацией последней. В дальнейшем речь идет все время о последней. Далее, следует различать геометрию естественную и геометрию абстрактную. Последняя является геометрией, реализованной выбранными масштабами, и произвольно выбирается в данной простраыственно-временной области. Обычно это геометрия Евклида в пространственных соотношениях и геометрия Минковского (смотрите) в пространственно-временной области.. Естественная геометрия выражает метрические соотношения, реально существующие в данной области. Расхождение, если оно имеется, между пространственно-временными соотношениями, реально существующими в данной области (естественной геометрией), и геометрией Минковского (т. е. абстрактной геометрией) осмысливается как наличие силового поля. Это расхождение и лежит в основе понятия силового поля, т. е. понятия потенциальной Э. Если, например, в данной пространственно-временной области существуют соотношения такие, как вблизи гравитационной массы, то в ней геодезической линией будет кривая, именно та линия, по которой движется, например, планета BOKpvr Солнца, тогда как по приписываемой этой области абстрактной геометрии геодезической линией будет прямая. Факт движения по кривой и осознается как наличие потенциального гравитационного поля. Потенциальная Э. гравита-цонного поля определяется отличием реально существующих (физико-геометрических, а именно метрических) соотношений от метрики мира Минковского, с которой всегда оюждествляются геометрические (точнее чисто-кинематические) соотношения. Это легко показать сравнением про-странстЕенно-временных интервалов ds“. Для этого мы должны рассмотреть более общие свойства гравитации.

Общая форма пространственно-временного интервала определяется, как известно (ер. теория относительности, XLI, ч. 7, 424/26), метрическим тензором:

ёзгр ==: 8аа {Xlt X2t х3 Xo)t

именно,

ds2—2 gapdXdx. (I)

о, ;-=i

Компоненты тензора gap определяются как функции пространственно-временных координат х1г х2, х3> х0, являющиеся решениями дифференциального нелинейного уравнения в частных производных второго порядка — уравнения гравитационного поля:

Я,--’- -TV, (II)

найденные А. Эйнштейном.

Здесь, R —свернутый тензор кривизны,

R — инвариант кривизны, Tv — тензор,

определяющий распределение энергии-материи, х — константа, связанная в нерелятивистском приближении с ньютоновской гравитационной константой 7,

у=6,67l0“8ct8 г““1 сек~~.

соотношением:

Величины Иру зависят от оЛр и их частных производных.

Уравнение (II) — основное при исследовании энергетических проблем. Мы имеем в виду первый вариант теории Эйнштейна; в дальнейшем имели место различные обобщения, в частности, космологического характера. Особое значение имеют следующие два его свойства: во-первых, оно ведёт к формулировке законов сохранения энергии - материи, точнее говоря, вид левой части уравнения обусловлен существованием этих законов (смотрите далее), и во-вторых, уравнение определяет законы движения масс.

А. Рассмотрим сначала второе следствие. В старой ньютоновской механике проблема движения масс в поле тяготения рассматривалась с точки зрения двух независимых друг от друга положений: а) касающихся движения массы под влиянием внешних сил; б) касающихся источников этих сил.

Первая проблема математически формулируется уравнением движения: “

------1 >

dt2 дхргде о — Ньютонов потенциал гравитационных сил:

который вычисляется (вторая проблема по уравнению Пуассона:

A5=4r]f-S(a:, у, z)

(р — плотность масс). Связь обоих положений в старой теории совершенно не ясна. При более глубоком (релятивистском) анализе этого цикла проблем выясняется, что эти задачи имеют специфически-релятиви-стокую природу, а именно вся задача в целом должна быть поставлена как задача определения решений уравнения для ga$t

уравнения (II), для данной области пространственно-временного континуума. Найденные интеграцией уравнения (II) ga$t поподстановке их в выражение для интервала (1), определяют метрику данной области, т. е. законы, имеющие место для всех возможных передвижений или иных пространственно-временных соотношений.

Уравнение (II) нелинейно, и задача определения его решений — — выглядит следующим образом. Нужно задать характер движения, точнее — пространственно-временное распределение масс в исследуемой области, т. е. говоря математически, ‘задать компоненты тензора энергии-материи Tacj в качестве функций от

xl9 а“, 3, «о- Это позволяет найти входящие вйи (также и через производные первого и второго порядка). Найдя дар как функции зсх, зс2, зс3, х0 и подставив найденные да в (1), мы получим выражение для интервала и тем самым найдем метрические соотношения в данной области. Законы их изменения при переходе от одной системы отсчета к другой определяются тем, что дар — тензор, а ds —инвариант.

Однако такая постановка задачи возможна только в случае, когда возможно пренебречь реакцией поля на массы; вообще же расчленение задачи на задачу задания Т v и последующего определения g интеграцией уравнения невозможно. следует рассматривать как составную часть уравнения, характер зависимости которой от метрики ра1з определяется тем, что по подстановке g«3, удовлетворяющих уравнению, оно тождественно удовлетворяется. Иначе говоря, распределение масс и их движение (пространственно-временное распределение) однозначно определяется метрикой данной области, последняя же, в свою очередь, однозначно определена пространственно-временным распределением масс. То, что уравнения (II) имеют такой характер, должно быть доказано непосредственной их интеграцией. Это и было показано А. Эйнштейном и Громмером в 1927 г.

Как эти исследования, так и более поздние, показывают, что упоминавшиеся выше две независимые классические задачи на самом деле непосредственно связаны. Они становятся независимыми только при переходе к нерелятивистской постановке, которая настолько искажает действительное положение вещей, что нельзя усмотреть нужные связи.

Смысл перехода к нерелятивистскому пониманию метрических соотношений, связанному с введением понятия потенциальной Э., состоит в следующем.

Предполагая, что в первом приближении в рассматриваемой области имеет место метрика мира Минковского, т. е. дл$ имеют значения дх$=— (г“ е“» для ЛФ 3» 0а,з =- 0;

для α= 3, да$ равны соответственно — 1,

— 1, — 1, 4- 1), переходим ко второму приближению, считая, чго можно написатьв виде

+ Тегр»

где функции уаз столь малы по сравнениюс первым членом, что можно пренебречь высшими степенями этих функций и их производных.

В так получающемся приближении и содержатся законы механики и теории тяготения Ньютона, если пренебречь зависимостью 0asj от хь; а именно, расчёт показывает, что тогда функциих f pdv

Т11 ~ Т22 == Тзз— <4 ~ >

остальные уа,з равны нулю. Подставляя полученные Ta3 в мы получим следующее выражение для этого инварианта:

ds2 =

— 1 - 1, St-’) +

С другой стороны,- уравнение (П) приводит к уравнению Пуассона, позволяющему интерпретировать та как потенциал. А именно, получается, что уравнения движения имеют вид

1 d

с“ 2 J >

%

что показывает, что

О е (~I > 2» з)

имеет смысл Ньютонова потенциала тяготения. Эти результаты и выясняют полностью смысл понятия потенциальной Э. гравитационного поля, как понятия, непосредственно выводимого из комплекса метрических соотношений общей теории относительности.

Б. Рассмотрим теперь второе основное следствие закона гравитации (II), а именно формулировку законов сохранения энергии-материи. Чтобы получить таковую, следует разыскать интегральные и дифференциальные законы сохранения. Интегральные законы могут быть получены из дифференциальных. Дифференциальная формулировка законов означает, что они учитывают непрерывную передачу взаимодействий от точки к точке с конечной скоростью с.

| В таком случае достигается, как известно, формулировка законов, независимая от выбора той или иной системы отсчёта.

Левая часть уравнения Эйнштейна, т. е. комбинация величин Rap и R

(а$- Т

обладает тем основным свойством, что она сохраняется во всех допустимых системах отсчёта. Эго утверждение следует понимать следующим образом.

Если взягь нерелятивистский предельный случай, то закон сохранения непрерывной“ векторной функции выражается, как известно, условием равенства нулю «расходимости“ ее, т. е. уравнением

div — 0. (е)

Обобщение, которое должно быть осуществлено при переходе к величинам, изменяющимся с течением времени, может быть найдено в рамках специальной теории относительности, а именно исследованием инвариантности по отношению к преобразованиям Лоренца. Исследование локазыва-ет, что три величины Ах, Ay, Az, образующие компоненты вектора по отношению к преобразованиям чисто пространственным, не дают полной характеристики, и что к ним должна быть добавлена четвёртая величина А0. Тогда совокупность четырёхвеличин

Л.х У1 0» > Ао Ут О

описывает данное векторное поле релятивистски-инвариантно. Закон сохранения (,У обобщается при этом в закон релятивист-ски-инвариантный

div4.+ — =0 (Ш)

7 Гранат

Это уравнение и выражает векторный ре-лятивистски-инвариантный закон сохранения. Однако энергетические соотношения для случая гравитационного поля выражаются не уравнением (Ш), а тензорным уравнением, выражающим требование, чтобы комбинация величин (П), называемая тензором энергии-материи, сохранялась во всех системах отсчета, т. е. чтобы релятивистская расходимость этого тенвора тождественно равнялась нулю.

Если обозначить через T=r. Tazg~ У~двеличину, называемую тензорной плотностью (количество выражаемой этим тензором величины, приходящееся на единичную клетку бесконечно-малой области вблизи рассматриваемой точки), то закон сохранения тензора выражается инвариантным уравнением:

т£-чт-0’ <IV)

где ~ величины, определяющиеся выбором системы отсчета. Они выражаются через а именно:

JTV _ 1 „ва (3gy.cc |

2 + г

Величины эти не имеют тензорного характера, т. е. всегда может быть выбрана такая система отсчёта, в которой все они равны нулю:

Эти величины определяют силы инерции и выражают собой кинематическое значение метрических соотношений. Уравнение (TV) и является основным законом сохранения энергии-материи. Эйнштейном было предположено, что тензор Т® должен так зависеть от дар и производных, быть такой ихфункцией, чтобы уравнения (IV) были выполнены тождественно по подстановке вних выражения Т через g

<v>

Эйнштейн показал, что такое выражение (V) действительно существует, а именно это — комбинация, стоящая слева в (П), обращающая уравнения (IV) по подстановке её вместо Tai в тождество. На этом основании ибыли формулированы основные уравнения гравитационного поля. Тенвор Тф входящий в эти уравнения, определяет роль материи-энергии. Он называется, как уже упоминалось, тензором энергии-материи. Мы отметили уже, что характер зависимости этого тензора от да$ и ха не может бытьзадан произвольно, а определяется решениями нелинейных уравнений Эйнштейна (П) — Оф (acj, эсв, эс8> эс0), г. е. метрикой пространственно-временных соотношений“ которая, в свою очередь, определяется характером Распределения и движения Э. в рассматриваемой области, т. е. тенаором Taq

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ (Приложение к ст. «Энергия“).

Квантовая теория — современный этап в развитии атомиэма, т. е. современная физическая теория, изучающая законы атомных процессов (микропроцессов). Основные принципы квантовой теория были установлены в 1925—1928 гг. в целом ряде работ как теоретических, так и экспериментальных. Этому предшествовал длительный период (1900—1925) накопления экспериментального материала и предварительных попыток его теоретического анализа. Из теоретических исследований особое значение имели работы Эйнштейна, Борна, Бора, Гейзенберга, Дирака, ШредингеРа, Л. деБройля, Паули и мн. др. Экспериментальные исследования насчитываются тысячами. В настоящее время квантовая теория является ведущей дисциплиной всей теоретической физики, а ее принципы являются фундаментом для всякого исследования физических и химических микропроцессов.

Основной чертой квантовой теории, резко отличающей её от всех предыдущих физических теорий, является очень глубокая критика правомерности применения в атомном мире целого Ряда самых основных физических понятий, как то: скорости, местоположения частицы, механического движения и так далее, т. е. таких физических понятий, которые, казалось, установлены были о исчерпывающей ясностью. Новая теория стремится определить сферу действия того или иного из основных физических понятий, т. е. определить те области явлений, в которых они правильно отображают действительность (атомный мир) и вне которых они перестают .иметь силу, искажают действительность и нуждаются в изменении. При этом главное внимание обращается как рае на последние случаи, т. к. именно тогда обнаруживается неадэкватность действительности старых физических понятий, и мы переходим в новую, квантовую область явлений.

Для правильного понимания квантовой теории в её современной форме прежде всего следует обратить внимание на то, что она пользуется исключительно старыми (называемыми классическими) понятиями, выработанными .макроскопическим опытом, но использует их для формулировки новых, существенно выходящих за пределы этих понятий, физических закономерностей. Это достигается изменением связей, соотношений, «контекста“, в котором употребляются старые понятия. Создаётся своеобразный новый Я8ык, Я8ык лшкрофизики (здесь уместна аналогия с понятием «идиоматических выражений» лингвистики), ставящий задачей отобразить возможно полнее и точнее вновь открытый микромир, до тех пор почти совершенно неизвестный экспериментально. Громадное значение при этом получает математический аппарат, т. е. количественная формулировка соотношений между различными характеристиками атомного процесса, не могущими быть выраженными целиком в терминах макроскопически определенных понятий и требующими поэтому существенно новых понятий, существенно новых формулировок закономерностей.

В развитии квантовой теории различимы два основных этапа:

I. -Этап, связанный с критикой концепции механического движения, закончив

шийся выработкой понятия «квантовой частицы“ (1900—1925).

II. Этап, связанный с переходом от механических проблем к проблемам электродинамическим. Этот период до настоящего времени еще не закончился, так как до этих пор электродинамические квантовые проблемы во многих отношениях не разрешены.

Исторически квантовая теория возникла из весьма многочисленных попыток дать последовательную теорию строения атома, основных свойств излучения и других атомных процессов, опираясь на механические принципы. Особое историческое значение из этих попыток имеют: 1. Представление о квантовом гаве: фот.й гае (Эйнштейн, Бозе, Планк), попытки объяснения теплоёмкости (Дебай, Эйнштейн). 2. Теория строения атома Н. Бора, принципы которой были им найдены в 1912г., причем им была использована электронная теория Г. А. Лоренца, имевшая вообще громадное значение в развитии квантовой теории. Целесообразно проследить изменение принципов, приведшее к квантовой теории, на этом- примере.. .

В конце XIX, века Г. А. Лоренцом была развита электронная теория (смотрите LII, 192

сл. ), дающая принципы механического движения (и излучения энергии электриче-ски-заряженной частицы, подвергающейся воздействию внешних электромагнитных полей и являющейся, в свою очередь, источником электромагнитного поля). Эта теория в дальнейшем развилась в релятивистскую теорцю поля. Она не учитывает атомизм действия, будучи т. о. классической, а не квантовой теорией. Далее теория Лоренца не дает анализа структуры элек-трически-заряженной частицы.