1     2

Природа боится не только пустоты,
но и боится потерять равновесие

мудрая мысль

Аннотация. Сегодня понятие энергии настолько вошло в наш обыденный лексикон, что мы, не задумываясь, применяем этот термин по поводу и без повода. Нам кажется, что это существует в реальности как отдельная вещь, или субстанция. Как, например, вода или воздух.
Обычно мы часто говорим, чтобы поднять что-либо, или копать земли в саду, не хватает энергии. Если же нет света в доме, говорим, нет электрической энергии. Чтобы вскипятить чайник на газовой плите, "тратим" тепловую энергию, которая выделяется при сжигании природного газа.
Также у всех на слуху механическая энергия, атомная энергия, ветровая энергия, и т.д. В литературе часто можно встретить термины: потенциальная энергия, кинетическая энергия, гравитационная энергия, внутренняя энергия, химическая энергия, биоэнергия, и много еще каких-то энергий.
Одним словом, как не крути, и куда не кинь, без энергии - никак.
Несмотря, на такое вот, жизненную важность этой "вещицы", до сих пор непонятно что это такое, и нет вразумительного, удовлетворительного ответа.
Так, что же такое энергия? В большинстве словарях и энциклопедиях приводится следующее определение:
"Энергия (от греч. energeia – действие, деятельность) – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи".
Да, однако, довольно туманно. Такое вот, слишком общее, неопределенные, расплывчатые формулировки и толкования этого понятия, бытующие на сегодняшний день, подвигли меня предпринять попытку понять, что означает это слово и каковы механизмы этого явления. И вообще выяснить, что "скрывается" под этим понятием.

Так, что же это такое? Может быть, это некая тонкая неуловимая сущность, "лежащая" в основание мира и пока недоступная нам? Или же, может быть, это некое кажущееся явление, а на самом деле, в реальности, ее нет?
По мнению автора, действительно, энергии как самостоятельной сущности, в реальности нет. Она является результатом неоднородного, неравновесного состояния материи.
В таких случаях, самопроизвольно возникает движущая сила (и движение), направленная на выравниванию этих неоднородностей (неравновесностей) и установления равновесия. Это и порождает явление энергии (и силы). Здесь мы обнаруживаем некую фундаментальную закономерность нашей природы: стремления к равновесии. Она и является причиной энергии и движения.

При таком подходе выясняется, что, это же, оказывается, порождает и природных "сил" - сильных и слабых ядерных, электромагнитных, и гравитационных. Все они, по сути, несмотря на различные масштабы действия, являются лишь следствиями, неравновесного состояния материи, и возникают при движении материи к равновесию. Таким образом, появляется теоретическая возможность, рассматривать все фундаментальные силы природы (гравитационные, электромагнитные, сильное и слабое) - как одно, через условие равновесия.

Давно применяемые нами понятия потенциальной и кинетической энергии, тоже "берут начало" здесь. Потенциальная энергия - это наличие и степень неравновесности (асимметрии), а кинетическая энергия - самопроизвольное движение в сторону равновесия. На этом месте обычно мы говорим: потенциальная энергия переходит в кинетическую.
Поэтому неравновесное состояние материи + стремление к равновесии - и есть источник энергии и движения. Пока есть асимметрия (неравновесность) - будет движение. Не будет асимметрии - не будет ни энергии, ни движения.

Ниже, в тексте, не приводятся формулы, все они хорошо известны. Если, например, внимательно сопоставит формулы, означающие потенциальных и кинетических энергий из различных областей физики (и не только), будь это механика, термодинамика, электродинамика, и т.д., то нетрудно убедиться, что все они означают почти одно и тоже: разность какого либо параметра (потенциальная энергия), и движение в сторону равновесия (кинетическая энергия).
Таким образом, ниже рассматривается качественная сторона понятия энергии, направленная на понимание сущности и механизма возникновения этого явления в природе.

Введение. Сам термин «энергия» появился лишь в начале XIX века, и был введен в механику английским физиком Т.Юнгом, под которой он понимал величину пропорциональную механической работе. Чуть позже, его соотечественник Д.Джоуль установил первую эквивалентность, измерив механическую работу, которую необходимо затратить, чтобы поднять температуру данного количества воды на один градус. Также Джоуль обнаружил, что связи,  между выделением или поглощением тепла, в электрических и магнитных явлениях, в химических реакциях, а также биологическими объектами, носят характер «превращения». Он же определил общий эквивалент для физико-химических превращений, что позволило измерить сохраняющуюся величину. Впоследствии эта величина стала известна как «энергия». А немецкий ученый Г.Гельмгольц сформулировал это как закон сохранения энергии. В этом, также, большую роль сыграли работы его соотечественника Ю.Майера.

Энергия первоначально была в физике абстрактной идеей, и стала популярной благодаря закону сохранения энергии. Согласно которому она не возникает из ничего и не уничтожается.
Это понятие играет огромную роль в науке. Оно сильно упрощает описание широкого круга физических процессов и охватывает огромное количество экспериментальных фактов. Не будь этого обобщающего понятия, пришлось бы рассматривать множество схожих фактов каждый по отдельности.

Так, что же мы привыкли называть термином энергия? В учебниках пишут, что это способность совершать работу. В соответствии с различными формами движения материи, рассматриваются механические, электрические, магнитные, внутренние, ядерные, и др., виды энергии.

Механическая энергия характеризует способность тел совершать работу, характеризует их движение и взаимодействие, и является физической величиной, определяемая состоянием системы тел: их взаиморасположением и их скоростями движения. Для отражения такого состояния тел, в механике применяется "два вида различных" энергий: потенциальные и кинетические.

Потенциальная энергия - это энергия взаимодействия тел. Которая определяется взаимным расположением тел, или, частей одного тела. В таком состоянии тело обладает, как бы, скрытой энергией, "проявляет готовность" совершать работу, но движения еще нет. Такой энергией обладают, например, поднятый камень на какую-нибудь высоту над Землей (Eп = mgh), сжатая или растянутая пружина (Eп = kx^2/2), разность давлений, и т.д.
Кинетическая энергия - это энергия движения тела. Которой, тело обладает, вследствие своего движения. Такой энергией обладают все движущиеся тела. Например, текущая вода, перемещение воздушных масс (ветер), летящая стрела, падающий камень, вращающееся колесо, и т.д.
Физический смысл кинетической энергии заключается в том, что эта энергия равна работе, которую надо совершить, и равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости (Eк = mv^2/2).

Взаимодействующие тела могут обладать одновременно и кинетической и потенциальной энергией, то есть, полной энергией (E = Eп + Eк).
Летящий мяч, например, обладает и кинетической и потенциальной энергией, так как, кроме движения вперед он взаимодействует с Землей силой всемирного тяготения. В момент удара о Землю механическая энергия мяча, частично переходит во внутреннюю энергию мяча, и он нагревается, и т.д.

Если теперь перейдем к электродинамике, то добавляются электрические и магнитные энергии. Формульные записи этих энергий, во многом очень похожи на формульные записи для энергий в механике, только "берутся" иные параметры: Е = CU^2/2, и, E = LI^2/2, соответственно.
В электродинамике, электрические и магнитные поля, так же характеризуются энергетическими и силовыми характеристиками (как и в механике). Если разность потенциалов в различных точках поля определяют энергетическую характеристику поля, то сила действующая на пробный заряд помещенный в этом поле, определяет силовую характеристику, которая, в электродинамике, именуется напряжением поля. По большей части, все зависит от разности потенциалов, чем больше разность потенциалов, тем больше энергии, и, соответственно, тем больше силы, действующие на тела находящиеся в этом поле.
Таким же образом, чем больше разность потенциалов на концах проводника, тем выше сила тока в проводнике, и т.д....

Если сейчас перейти к термодинамике, то здесь рассматривается, в основном, внутренние энергии обособленных систем.
Термодинамика для нас здесь интересна тем, что она рассматривает не только внутренние энергии систем в узком смысле этого слова, но и более явном виде оперирует с понятиями равновесия, что почти нет в других разделах физики (механика, электродинамика, и т.д.). Она показывает, что состояние равновесия/неравновесия систем всегда тесно связано с феноменом энергии. Поэтому на термодинамике остановимся более поподробнее.

Отдел физической науки, термодинамика, изучает совокупность взаимосвязанных физических тел, которые составляют единую систему, и обмениваются с энергией и веществом с внешней окружающей их средой. Такие системы называются термодинамическими системами.
Термодинамика условно их разделяет на три класса: открытые, закрытые и изолированные системы. Открытые системы обмениваются с внешней средой и с энергией, и с веществом. Т.е., тут присутствует и приток и отток вещества и энергии из системы, и в систему. Закрытые системы обмениваются с окружением только с энергией (теплота, эл, волны, звук, и т.д.), но не обмениваются с веществом. Т.е., здесь вещество остается постоянным, происходит только приток и отток энергии. В изолированных системах, вообще не происходит никаких обменных процессов с окружающей ее средой. То есть, извне не поступает ни энергии, ни вещества, также энергия и вещества самой системы не передается наружу. Она, в буквальном смысле слова, полностью изолирована.

Здесь наиболее изучены поведение изолированных систем. Они более просты для изучения, и на их основе выведены некоторые важные закономерности термодинамических систем. Правда, в реальности, таких изолированных систем в природе не существуют. Это, по большей части, идеализация.
Все существующие реальные системы, в той или иной мере, обмениваются с окружающей средой и энергией и веществом, и поэтому они не являются полностью изолированными системами, а являются либо открытыми, либо в какой-то степени закрытыми системами.
Тем не менее, некоторые закономерности идеализированной системы, вполне применимы и к реальным системам. Одна из таких закономерностей, это - тепловое равновесие.
Суть этого заключается в том, что если долгое время внешние условия остаются неизменными, то любая термодинамическая система, рано или поздно, самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.
Рассмотрим такой пример. Опустим, в стакан с водой с комнатной температурой, кусочек льда, и плотно закроем крышкой. Лед там начнет таять, а вода охлаждаться. Когда весь лед растает, вода снова начнет нагреваться. Это будет продолжаться до тех пор, пока ее температура не станет равной комнатной температуре. После их выравнивания, в стакане уже ничего происходит не будет. Стакан с водой пришел в тепловое равновесие с окружающей средой.

В таком состоянии макроскопические параметры любой системы могут оставаться сколь угодно долго неизменными. Тут не происходит теплообмен с окружающей их средой, не изменяется объем, не изменяется давление, отсутствуют взаимное превращение жидкостей, газов, и твердых тел, и т.д. При этом, микроскопические процессы внутри системы (движение и взаимодействия частиц) не прекращаются. Между частицами тела (системы) происходит обмен энергией: частицы с большой энергией передают энергию частицам с меньшей энергией. Идет внутреннее выравнивание температур, давления, сопровождающиеся микрофлуктуациями.

Так может продолжаться сколь угодно долго. Но эту "идиллию" может нарушить внешняя среда. Стоит только измениться внешним условиям, так сразу же нарушается тепловое равновесие системы с окружающей ее средой, и внутри системы начинается движение ("перестройка"). И это будет продолжаться до тех пор, пока система опять не "согласуется" с новыми внешними условиями, и опять не "впадет в дремоту". В дальнейшем, новое изменение внешней среды, опять приведет к изменениям внутри системы, и ей придется опять "перестроится". Таким образом, внешняя среда может спровоцировать большие изменения внутри системы. Более того, постоянное и постепенное изменения внешней среды, могут постепенно "тащит" систему в каком-то направлении, заставляя ее постоянно и "целенаправленно" эволюционировать.

Исходя из этого, можно сказать, что у системы могут быть множество состояний теплового равновесия, каждому из которых соответствует определенная температура. Например, вода при температуре выше +100^оС находится в виде пара. Если не изменять эту температуру, она всегда будет паром.
А если постепенно понижать температуру, скажем, до +15^оС, то она изменить свое агрегатное состояние, и превратиться в жидкость. Это уже не похож на прежний водяной пар, а совсем другой физический объект, и имеет совсем другой "облик". При этом, изменились многие ее свойства (вязкость, объем, плотность, теплопроводность, и т.д.). Если некоторое время поддержать эту температуру неизменной, то наступит тепловое равновесие. Это ее относительно равновесное состояние в данных конкретных условиях (жидкость).
Если и дальше изменять температуру, скажем до -10^оС, то она превратиться в лед (твердое тело). Это уже совсем другое агрегатное состояние воды, и лед совсем не похож на прежнюю жидкую воду. У нее изменились все прежние физические параметры и свойства: объем, плотность, вязкость, текучесть, электрические и магнитные свойства, и т.д. Ее "ледовое" состояние является оптимальным, равновесным, при минусовых (^оС) температурах.
Так же, можем рассмотреть любую систему (или вещество), результат будет таким же. Любая система при определенных условиях будет иметь определенное состояние. Но это состояние, весьма относительное (подвижное, дрейфующее), и зависит от конкретных условий. Таким образом, получается, что любая система может обладать множеством подвижных равновесных состояний, смотря в каких условиях, она находится.

В связи с этим, нужно сказать, что в химической науке хорошо известен принцип Ле Шателье (принцип подвижного равновесия), который гласит: что, если на равновесную систему производить внешнее воздействие, то, положение равновесия смещается в направлении ослабления эффекта этого воздействия.
Этот принцип вполне применим и к физическим и физико - химическим системам. Все это нетрудно "усмотреть" на очень простых примерах. Например, при повышении внешней температуры, динамическое равновесие какой-либо системы смещается в сторону эндотермических процессов (поглощение теплоты). А при понижении температуры, наоборот, равновесие системы смещается в сторону экзотермических процессов (выделение теплоты).
Например, вода (H₂O), в нормальных условиях (20^оС), может и испаряться и конденсироваться. Эти процессы при данной температуре находятся в некотором динамическом равновесии. Если по каким-либо причинам, температура повыситься, то, повыситься и поглощение теплоты водой (эндотермический процесс), и увеличиться испарение, и пара станет больше. А если температура, наоборот, будет падать, то доминировать будут процессы конденсации, пара станет меньше, и при конденсации будет выделяться тепло (экзотермический процесс). Т.е., в зависимости от условий (температуры), равновесное состояние будет смещаться либо в сторону увеличения испарения, либо в сторону увеличения конденсации.
Еще один пример. Если взять и нагреть алюминий до температуры 700^оС, то, вследствие поглощения тепловой энергии (эндотермический процесс), у него увеличится внутренняя энергия, и он перейдет в жидкое состояние. Если поддержать температуру некоторое время на этом уровне, то алюминий долгое время сохранить свое жидкое состояние.
Если и дальше поднять температуру, скажем, до 2500^оС, то из-за дальнейшего поглощения теплоты алюминий превратиться в пар. На этом уровне температуры он сколь угодно долго может оставаться паром (хоть тысячу лет).
Если его теперь постепенно охлаждать, то на уровне 2400^оС он сконденсируется в жидкость, а при понижении температуры ниже 660^оС, он обратно превратиться в твердое тело. В течении всего этого процесса фазовых превращений (пар - жидкость - тв. тело), он будет отдавать тепло окружающей среде (это экзотермический процесс).
Т.е., здесь мы опять видим, что, в зависимости от внешних условий, равновесное состояние системы смещается либо в сторону пара, либо в сторону твердого тела. Но все состояния алюминия являются равновесными в определенных конкретных условиях.

Еще одно следствие принципа Ле - Шателье касается давления. Оно гласит: что, увеличение давления смещает химическое равновесие в направлении процессов в сторону уменьшения объемов получаемых продуктов, а уменьшение давления, наоборот, в сторону образования веществ с большими объемами выходных продуктов.

Из этих примеров (и из принципа Ле-Шателье) хорошо видно, что, само равновесное состояние системы оказывается весьма подвижной "штучкой", и зависит от многих условий: как от внешних, так и от внутренних. Но практический опыт показывает, что все-таки зависимость от внешних условий больше. Система постоянно подлаживается, в первую очередь, к изменяющимся условиям внешней среды. Это, соответственно, требует от системы большой гибкости и вынуждает ее к внутренней "перестройке": то превратиться в пар, то в жидкость, а то, перейти в твердую фазу. При таких "перестройках" обычно либо выделяется, либо поглощается энергия.

В термодинамике наиболее известны два закона. Первый из них гласит: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое, равно сумме количества теплоты, сообщенного системе, и работы внешних сил, совершенной над системой.
Второй закон постулирует невозможность передачи тепло от более холодной системы к более горячей, при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах, или в окружающих телах. Если перевести на реальный, действительный мир, то это указывает на необратимости процессов в природе. Или, по другому, используя понятие, введенную в термодинамику для определения меры необратимости рассеяния энергии, второй закон еще называют законом возрастания энтропии.

После такого краткого ознакомления, что обычно пишут в учебниках про энергию (и про равновесию, тоже), и приняв их как базисные, так как эти положения многократно подтверждены практикой, попробуем далее разобраться, что же такое энергия, и есть ли она в природе.

Энергия. Мы все знаем, что ветер тоже обладает определенной энергией, так как он способен совершать работу: двинуть/крутить чего-нибудь, завалить кого-нибудь, гнать большую волну, и т.д. Раз так, то, на его примере можно разобраться, что такое энергия. Но, для начала нужно выяснить, что же такое сам ветер.
Здесь, первым делом, мне хочется сделать небольшой экскурс в филологию. Если более конкретно, то, выяснить, что мы понимаем под определенным конкретным словом. Например, стол, человек, ветер и энергия. Если возьмем слово стол или человек, то за ними мы понимаем конкретных вещей. Стол можно пощупать, на него опереться, или удариться головой и набить шишку. И человека можно щелкнуть по носу, ткнуть в бок, или обнять. То есть, стол и человек конкретны и реальны.
А вот слова ветер и энергия не так просты, как кажутся на первый взгляд. Если начать "копать" поглубже, пытаясь понять, что же лежит под этими словами, то мы придем к выводу, что они, по сути, означают сложные физические явления. Т.е., за ними кроется не конкретно какая-нибудь реальная вещь, которую можно потрогать и пощупать, а целое физическое явление. Поэтому они, по сути, являются обобщающими терминами, и представляют собой абстракцию высокого уровня.

С выяснением этого, становится понятным, что ветер - это сложное физическое явление, означающее движение воздушной массы в каком-то направлении. Но, воздушная масса, сама по себе, просто так, не может двигаться, нужна причина. Поэтому теперь возникает следующий вопрос: что ее движет, и что является движущей силой?
Тут без особого труда выясняется, что движущую силу порождает разница в давлении, где-то больше, где-то меньше. Наше слово ветер на этом уровне, как бы, испарился, перестал существовать. Есть частицы воздуха, есть разница в давление, и воздух движется в сторону меньшего давления. Это есть - ветер.
Ладно, ветром разобрались. А где же энергия?
Видим, что есть воздух, видим, что есть разница в давлении. И воздух движется в сторону меньшего давления. А вот энергию не видим. Где же она?
А ее и ...нету. Энергия такая же абстракция и обобщающий термин, как и ветер. И означает одну из граней сложного физического явления. В данном случае, если само природное явление, называем ветер, то порождаемое им движущуюся силу называем термином энергия. А источником всего этого является разница в давлении между пространственно разделенными местностями. Эту разницу в давлении природа "старается" ликвидировать, и выровнять давление. И тут возникает энергия.

Вообщем-то, такого рода примерами, мы сталкиваемся чуть ли на каждом шагу. Многие из них "пачками висят" перед носом, только мы особо не приглядываемся и не осмысливаем происходящее. Если, например, в чашку с черным кофе налить немного молока (возникла асимметрия), начнется движение. Молоко будет распределяться по всему объему до тех пор, пока не установиться равновесное состояние (симметрия). Если в стакан с водой бросите щепотки соли (возникло локальное неравновесие), то соль будет растворяться, и "растаскиваться" по всему объему воды, пока не установится равномерное распределение. В этих примерах, мы наблюдаем явление смешения, диффузии (молока), и растворение (соли). Так же, если вы кинули камень на гладкую поверхность водоема, то возмущения на поверхности воды в виде волн будет распространяться до тех пор, пока поверхность воды не сгладиться и не "устаканиться". Здесь мы опять видим, что движение возникает в сторону устранения неравновесия, возмущения.
Таким образом, можно сказать, что явления диффузии, излучения, распространение волн, конвекция, и т.д., - все это является следствием стремления природы к равновесному состоянию, и эти явления "несут в себе" определенную энергию, до тех пор, пока есть неравновесие.

Еще примеры из механики. Если, например, сожмете или растянете пружину (нарушили равновесное состояние пружины), то получите, так называемую, потенциальную энергию упруго - деформированной пружины. Если сейчас отпустите ее "на свободу", то, упругие силы будут стараться возвратить пружину в равновесное состояние, и части пружины придут в движение. Т.е., тут потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию. Когда пружина, после недолгого колебания, достигнет равновесного положения и остановится, то уже не будет ни энергии, ни движения.
Нечто похожее получается и в следующем примере. Например, подняв, камень на высоту 1 м., и положив на упор, мы потратили мускульную энергию и получили асимметрию в двух точках в поле тяготения Земли для камня (разница высот). Это положение смахивает на слегка растянутую пружину, хотя это на первый взгляд, кажется, трудновообразимым. Но, это, тем не менее, так. Равновесное положение груза - в центре масс Земли, он стремится туда. А мы, наоборот, тратя на это усилие, тащим его подальше от равновесного положения. Вот и получается, что мы, как буд-то бы, "растягиваем пружину".
Таким образом, поднимая камень на некоторую высоту над Землей, мы повышаем его потенциальную энергию. Эта энергия может высвободиться, стоит только столкнуть груз - и он рухнет вниз. Здесь потенциальная энергия переходит в кинетическую. Он падает "вниз" по той причине, что он стремиться к своему наиболее устойчивому положению - к центру масс Земли. Но твердая поверхность Земли не дает ему "далеко" уйти, и преграждает ему путь. Поэтому, хотя и груз благополучно достигает поверхности Земли, но он еще не достигает своего окончательного равновесного положения (центра масс). Из-за этого, он и дальше продолжает давит на поверхность Земли (тут возникает вес).
Таким образом, положение груза на поверхности Земли более "предпочтительное", чем на некоторой высоте над Землей, так как, такое положение все-таки, ближе к центру масс Земли, чем там "наверху". Отсюда, его такое поведение. Из этого примера также видно, что природа и здесь старается ликвидировать, или, хотя бы, минимизировать существующее неравновесие.
Иными словами, получается, что, если потенциальная энергия означает наличия и степень асимметрии, то кинетическая знергия означает сам акт стремления природы к равновесному состоянию (движение).

Рассмотрим еще один простой школьный опыт. Возьмем два одинаковых стакана. В один нальем хлорида меди и опустим в него медную пластину, в другую - раствор хлорида цинка и опустим в него цинковую пластину. Внешне в стаканах, вроде бы, ничего не происходит. Но, это нам, с нашей "колокольни", так кажется. А на самом деле, в очень тонком слое раствора, прилегающем к металлу, полярные молекулы воды, начинают вырывать из кристаллической решетки меди ее ионы.
Вследствие этого, слой раствора прилегающая к металлу, за счет избытка положительных ионов, приобретает положительный заряд. Это приводит к возникновению разности потенциалов, которая стремиться вернуть ионы меди обратно в металл. Через некоторое время, в этой области установится некое хрупкое динамическое равновесие: одни ионы будут отрываться и уходить в раствор, другие - возвращаться.. Но разность потенциалов на некотором уровне будет сохраняться.
В отличие от химического равновесия, полученные нами характеризуется не только соотношением концентрацией реагентов и продуктов, но и разницей потенциалов. В итоге, в результате химических процессов, появилось электрическое устройство. Такая система из двух полуэлементов называется гальваническим элементом.
Если сейчас соединить металлические пластинки проводником с встроенным в него гальванометром и амперметром, то мы увидим, что стрелки гальванометра отклонится, показывая наличие разность потенциалов. При этом стрелка амперметра останется на нуле, что свидетельствует об отсутствии тока между пластинами.
Если же теперь соединить стаканы с трубочкой с раствором какой-либо соли (солевым мостиком), то амперметр покажет наличие тока. При этом, поскольку электродный потенциал цинка ниже, чем у меди, то электроны из цинковый пластины пойдут в медную. По принципу Ле Шателье, в обоих элементах сместится равновесие. Это приведет к тому, что медь из раствора будет осаждаться на медной пластинке, а цинк - будет уходит с цинковой пластины в раствор. По солевому мостику избыток положительных ионов из стакана с хлоридом цинка будет переходит в раствор хлорида меди, восстанавливая электростатическое равновесие. Этот процесс будет продолжатся до тех пор, пока либо не растворится полностью цинк, либо не кончится хлорид меди.

Как видим, чтобы появилась энергия (движущая сила) нужна асимметрия в параметрах (градиент, разница) как минимум в двух пространственно разделенных точках. В вышеприведенных примерах это было: в первом случае - разница в давлении; во втором - разность в количестве вещества и в плотности, в третьем - разность высот над Землей (разность в поле тяготения); а в четвертом - разность потенциалов. При попытки восстановить равновесие возникает направленное движение, и это порождает кинетическую энергию.
Если же между двумя разделенными точками нет асимметрии параметров, нет движущей силы, и нет никакого движения. Поэтому абсолютная симметрия (абсолютное равновесие) означает полный покой и полный "штиль", где состояние материи совершенно однородно, и нет никаких возмущений. Соответственно, здесь нет никаких причин для движения.
В случае же появления неоднородностей, асимметрии параметров, сразу же возникает движущая сила (энергия), направленная на выравнивания этих параметров.

По природе эти причины могут быть самыми разными. Это может быть:
разница в температуре, когда тепло передается от горячего тела к холодному;
разница в давлении, когда материя движется с места большего давления, в сторону меньшего давления;
разница в концентрации химических элементов и веществ, когда возникает явление диффузии;
разница в градиенте потенциалов, когда возникает электрический ток, и т.д.

Электрические заряды, магнитные полюса, сами по себе уже содержат асимметрию и создают градиенты напряженности поля, а значит являются источником возникновения энергии (движущей силы). И силы, под которой мы понимаем степень воздействия на тело, помещенное между асимметричными точками.

Наблюдаемые нами в природе разрушительные ураганы, смерчи, торнадо, являются следствием большой степени асимметрии в давлении пространственно разделенных местностей. Чем асимметрия будет выше, тем выше окажется скорости движения воздушных масс, и тем выше будет сила ветра. Такая же закономерность наблюдается при теплообмене между телами (или окружающей средой), чем выше разность температур, тем интенсивнее теплообмен. В электродинамике, аналогично, чем выше разность потенциалов, тем выше сила тока. Поэтому особо важным является именно степень асимметрии (разность, градиент). От этого будет зависит движущая сила (энергия), и сила, которая будет действовать на тела находящиеся в области этих асимметрии.

Исходя из всего этого, можем сделать вывод, что: чего мы называем энергией – это самопроизвольно возникающая движущая сила, направленная на выравнивание асимметричных, неравновесных параметров.
Отсюда, чем больше будет степень асимметрии параметров, тем сильнее будет движущая сила (энергия) и выше скорость движений. С уменьшением степени асимметрии, уменьшается и скорость движения.

Равновесие - фундаментальная закономерность. Выше, мы до сих пор рассматривали примеры выравнивания только одного какого-либо параметра: либо давления (ветер), либо концентрации вещества (диффузия), либо потенциала (эл. ток), и т.д.. В реальности же все намного сложнее. У системы может быть не один какой-либо асимметричный параметр, а несколько. Более того, часто так бывает, что эти асимметрии взаимосвязаны и взаимопереходящие. Например, при возникновении ветра, разница в давлении возникает не просто так, а часто как следствие неравномерного нагрева и охлаждения различных участков поверхности Земли. Т.е., здесь получается, что температурная асимметрия спровоцирует градиент давления. А там уже возникает ветер.
Такая же ситуация складывается с любыми другими параметрами: давлением, плотностью, количеством вещества, потенциалами, и т.д. Часто, при стремлении выровнять неравновесие какого-то ведущего параметра, попутно порождаются градиенты других параметров. А попытка их "ликвидировать" опять приводит к возникновению других асимметричных параметров. Таким образом, получается, своего рода, медленно затухающая колебательная (иногда и довольно "долгоиграющая") система.
Если все это представить в более упрощенном виде, получается как механический маятник, который пытаясь прийти в равновесное состояние, по инерции "пролетает" равновесное положение, и опять оказывается в противоположном крайнем, опять неравновесном состоянии. В данном случае получается также, нечто похожее. Только у природы не два положения асимметрии, как у маятника (левое и правое), а множество параметров (температура, давление, плотность, концентрация, электромагнитные поля, и т.д.). Все они могут порождать неравновесие (или, смещать равновесие) друг друга, и "соперничать" между собой. Каждый из них в отдельности "хочет уравновесится", и каждый "тянет одеало" на себя. Вот тогда и возникает постепенно затухающаяся флуктуация параметров, постепенно затухающаяся волна...

Все это приводит к выводу, что, в основе закона превращения одного вида энергии в другую, лежит взаимопревращение (взаимопорождение) одного вида асимметрии в другую, в виде постепенно затухающей волны. .

Например, скажем, тот же ветер, при попытки выровнять асимметрии в давлении, может образовывать асимметрию в плотности и в количестве вещества в другом месте (снежные заносы, барханы, волны). В дальнейшем, снежные барханы могут "течь", как лавина, сметая и круша все что попадется на их пути. Волны тоже могут обрушиться со всей силой на любые встречающиеся препятствия. Т.е., здесь мы наблюдаем, что "аккумулированная" с помощью ветра энергия, в виде неравновесного расположения количества вещества и плотности, дальше "разряжается", порождая собой механическое движение. Все это происходит, так сказать, самопроизвольно, стихийно. И кроме вреда, ничего не приносит.
Но, эту работу ветра, и последующие его "превращения", можно направить в определенное русло, и получить полезную работу. Например, заставить его вращать лопасти ветряной мельницы, и получить механическую энергию, или же, заставить его вырабатывать электричество (электрическая энергия).
В дальнейшем, электрическая энергия может "породит" асимметрию в температуре (нагрев и излучение), асимметрию в плотности и в количестве вещества (например, электролиз). Нагрев и излучение можно использовать для освещения и на обогрев дома, а с помощью электролиза можно получить много нужных, красивых вещей. Так же, электричество можно использовать для механической работы: крутить эскалаторы, передвигать лифты, погрузка и отгрузка тяжелых грузов (электромагниты), электромашины, и т.д.

Асимметрии параметров, как бы, не переходили и не порождали друг друга, обеспечивая превращения одного вида энергии в другую, это не может происходит вечно. Рано или поздно, эта "цепь прерветься", и в системе наступит равновесие. Тогда здесь уже не будет условия для проявления энергии, могущей совершать работу. Равномерная температура не создаст условия для перехода теплоты от горячего к холодному (нет потока), не сможет создать градиент давления различных областей (нет ветра, шторма), равномерный потенциал на концах проводника не даст электрический ток, и т.д. Чтобы вновь получит энергию, необходимо будет нарушить равновесие какого-либо параметра в этой системы. Соответственно, это потребует дополнительных внешних усилий. А иначе, никак.

Таким образом, исходя из этих многочисленных примеров, из различных областей: из механики, из термодинамики, из электродинамики, и даже из химии (принцип Ле-Шателье), можем сделать вывод, что, феномен возникновения энергии и движения, всегда неразрывно связано с неким важным обстоятельством - со стремлением к равновесии.
И поэтому, мне кажется, что это обстоятельство нужно воспринимать как одну из самых фундаментальных закономерностей нашего мира:

в природе есть лишь один вид состояния, которому природа стремится всегда - равновесие (симметрия). Отклонение от этого положения приводит к асимметрии (неравновесие), что является источником энергии и движения, и дает природным процессам определенную направленность, в сторону установления равновесия.

Похоже что, в микромире, этот механизм лежит в процессах распада тяжелых ядер на более легкие, с выделением огромной энергии. Поглощая нейтроны, ядра тяжелых элементов (скажем, например, урана, плутония), становятся неустойчивыми (неравновесными) при данных конкретных условиях, и вынуждены делением стремиться к своему устойчивому состоянию. Они могут делиться на несколько частей, образуя, ядра других дочерних элементов. А иногда, деление может идти последовательно, ступенчато, образуя, целый каскад ответвленных ядерных распадов. Деление прекратиться только тогда, когда будет достигнуто наиболее устойчивые ядра дочерних химических элементов при нынешних условиях Земли.
Отсюда, можем сделать вывод, что большинство ядер химических элементов, которые существуют сегодня на Земле, находятся относительно устойчивом, или же, ближе к этому устойчивому состоянию, фазе. Те из них, которые находятся в устойчивом (равновесном) состоянии в нынешних условиях не "фонят", и не являются радиоактивными. А те из них, которые находятся не совсем устойчивом состоянии "фонят", излучают радиацию, и таким путем, стремятся минимизировать свое энергетическое состояние, стремятся к своему равновесному состоянию.
Таким образом, с этой точки зрения получается, что радиоактивность есть ни что иное, как некоторое неравновесное состояние ядер химических элементов, в условиях нынешней Земли. Возможно, в тех условиях, в которых они образовались, они были устойчивыми и не радиоактивными, но попав в иные условия становятся неустойчивыми, начинают "фонит", и начинают делится. Они "ищут" свое равновесное и устойчивое состояние.
Поэтому, мне кажется, что любой элемент можно сделать радиоактивным, и наоборот, из любого радиоактивного элемента можно получит нерадиоактивного, помещая их в иные условия (температура, давление, э/м поля, и т.д.), где внутреннее состояние этих элементов станут равновесными или неравновесными с их окружающей средой. Тогда они "начнут двигаться" к своему новому относительно равновесному состоянию.

В наших масштабах, на уровне вещества, происходит примерно, такое же. Выше мы уже рассмотрели несколько примеров из термодинамики. Где, говорилось, что агрегатные состояния веществ (газ - жидкость - тв. тело) зависят от условий, в котором они находятся. Поэтому повторяться не будем. Скажем, только то, что все агрегатные состояния различных веществ, которые существуют на Земле, это относительно равновесное и устойчивое состояние этих веществ в нынешних условиях Земли (+20^оС, 760 мм.рт.ст.). Например, в этих условиях, водород, кислород, азот - газообразны, вода, спирт, ртуть - жидкие (вода зимой - твердая), алюминий, железо, медь - представляют собой твердое тело, и т.д.
Но они не всегда остаются такими. Если изменяться условия, или же, поместить их в иные условия (холодильник, космос, Земля (+500^оС)), то они изменят свои агрегатные состояние, и придут в новое относительно равновесное состояние, соответственно, изменившимся условиям.
Если, например, температура на поверхности Земли поднимется до +500^оС, то на Земле уже не будет жидкой воды, она полностью превратиться в пар и уйдет в атмосферу. В атмосферу уйдет и газообразный ртуть (+357^оС, т. кип.). Т.е., при таких условиях, они будут газообразными. Алюминий при такой температуре будет более ближе к своему жидкому состоянию (+660^оС, т. пл). Нечто похожее, на "пластилина". А вот химический элемент цинк будет течь как вода (+420^оС, т. пл.). Будут у нас тогда цинковые дожди и цинковые речки. Медь и железо, при таких условиях, как и прежде, останутся твердыми. Для их плавления необходимы более высокие температуры.
Если же температура на поверхности Земли, наоборот, упадет до -200^оС, то атмосфера Земли сильно "похудеет". Так как, при таких условиях, "костяк" нынешний атмосферы, азот и кислород превратятся в жидкость, и потекут по поверхности Земли. А в атмосфере останутся только газы: водород, неон, гелий... Все остальные вещества к этому времени будут уже твердыми телами.
В космических условиях дела обстоят еще "хуже" (пр. (-250) - (-269)^оС). При таких условиях, только водород и гелий останутся на грани жидкость/газ, а все остальные вещества будут уже полностью "замерзшими"...
Все эти изменения (и фазовые превращения), как уже выше говорилось, могут происходит, либо с выделением, либо с поглощением энергии. Конденсационные явления обычно идут с выделением энергии, а плавление и испарение, в большинстве случаев, идет с поглощением энергии.

Ныне, в космосе, мы наблюдаем точно такие же явления. Только там эти процессы охватывают чрезвычайно огромные космические пространства, и протекают в течении миллионы, миллиарды лет. Вот эти обстоятельства несколько затрудняют нам сразу понять, что же там происходит. Это происходит от того, что мы сами по размерам (и по времени жизни) ничтожно малы, по сравнению с этими процессами, и не можем охватить все процессы на больших масштабах целиком, ни пространственно, ни во времени. Нам доступен только маленький "кусочек" этих процессов. Для наглядности приведем такую аналогию.

В мире насекомых есть такие бабочки - бабочки однодневки. Они по размерам небольшие и живут только один день. За это время они проживают целую бабочью жизнь.
Теперь зададимся вопросом: будь они разумны и наблюдательны, какими бы они видели людей?. Какой бы вывод они сделали? Скорее всего, вывод был бы таким. Людей бывает трех видов: очень маленькие (дети), небольшие и тонкие (юниоры), большие и толстые (взрослые). За один день, т.е., за всю бабочью жизнь, эти люди не меняются, поэтому они сделают вывод, что это разные виды людей. Им не понять что, это не разные виды людей, а те же люди (объекты), но только разного возраста. Они за свою жизнь схватывают только маленький "кусок" (один день) из жизни неких больших существ, и сделают неверный вывод, что они не меняются. А в самом деле, любой человек со временем меняется: ребенок становится юниором, а потом и взрослым. Но эти изменения происходят за такое длительное время, что это не идет ни в какое сравнение с жизнью бабочек (один день).
Я не зря привел такой пример. Когда мы начинаем изучать бескрайние просторы огромного космоса, с бесчисленным количеством содержащихся в нем гигантскими космическими объектами, и бесконечным их движением, мы сами оказываемся в роли бабочек однодневок. Мы также схватываем только чрезвычайно маленький "кусочек", их чрезвычайно большой и длинной "жизни". В основном, схватываем те "куски", которые на данный момент находятся у нас перед глазами, и с которыми мы сталкиваемся довольно часто (например, падение предметов на Землю, движение Луны, вращение планет вокруг Солнца, и т.д.). И считаем, что это нечто особенное, и пытаемся их объяснять как бабочки однодневки (так дано, и все). Не пытаемся все это охватить более шире и в пространстве и во времени. Не рассматриваем все это как некий чрезвычайно большой динамический процесс. А ведь, при внимательном взгляде становится очевидным, то что мы видим и наблюдаем вокруг в космосе, это всего лишь маленькие части ("куски"), неких чрезвычайно больших процессов, которые охватывают огромные пространства и длятся миллионы лет.
Отсюда, получается, что раз нет у нас цельной картины, от и до, а есть только отдельные "обрывки и мгновенные снимки" больших процессов, то нам непонятны механизмы образования космических тел, недоступны их источники движения, зачем и куда они двигаются.

Вот тут нам неоценимую помощь, в понимание этих процессов, оказывает знание некоторых основополагающих закономерностей природы. Говоря так, прежде всего я имею ввиду, о фундаментальной закономерности природы стремления к равновесию, и тесно связанные с ней процессы конденсации и испарения. При таких явлениях, вещество, где бы то оно не было, в зависимости от условий, ведет себя довольно стандартно и предсказуемо: хоть на Земле, хоть в космосе, хоть на другой планете. Это дает нам возможность понять, что за процессы происходят на больших масштабах, и что приводит к образованию небесных объектов.

к  странице - 2