З цього розділу ми почнемо вивчення нової теми, яка забере у нас чимало часу. Ми почнемо аналіз властивостей речовини з фізичного погляду. Знаючи, що речовина побудована з великого числа атомів або якихось інших елементарних частин, що взаємодіють електрично і підпорядковуються законам механіки, ми спробуємо зрозуміти, чому скупчення атомів поводяться саме так, а не інакше.
Нема чого й казати, що це важке завдання. І буде краще, якщо ми з самого початку підкреслимо, що це надзвичайно важке завдання і що розв'язувати його нам доведеться зовсім іншими способами, ніж раніше. Коли ми вивчали механіку й оптику, то могли починати з точних формулювань деяких законів, наприклад законів Ньютона або формули для поля, породжуваного прискореним зарядом. Дізнавшись про них, ми відразу ж могли пояснити безліч усіляких явищ, а потім ці закони ставали для нас міцною основою, спираючись на яку, ми вдосконалювалися і в механіці, і в оптиці. Ми можемо продовжувати вивчення й далі, але при цьому ми не виявимо якоїсь нової фізики, ми просто розв'язуватимемо старі задачі точнішими математичними методами.
Такий спосіб не годиться для вивчення властивостей речовини. Ми можемо сказати про властивості речовини лише найпростіші речі. Цей предмет надто складний, щоб можна було почати з найосновніших законів. Ми, як і раніше, будемо користуватися законами механіки й електрики. Але ці закони надто далекі від тих властивостей, які ми збираємось вивчати. Від законів Ньютона до властивостей речовини дуже багато кроків, і кожен крок дуже важкий. Зараз ми зробимо кілька таких кроків, але мені хочеться попередити вас, що коли в попередніх розділах ми аналізували явища більш чи менш строго, то тепер з кожним кроком ми дедалі більше втрачатимемо строгість. Властивості речовини ми зможемо зрозуміти лише вельми наближено.
Це відбувається з кількох причин. По-перше, наш аналіз не може бути повним, бо для цього потрібне глибоке знання теорії ймовірностей; ми ж не збираємося стежити за рухом кожного атома, а хочемо дізнатися про середнє число атомів, що рухаються в тому чи іншому напрямку, і прикинути, до чого призведе різниця в цих середніх. Таким чином, теорія ймовірностей органічно входить у нашу тему, а в математиці ми ще не дуже сильні, і багато чого від нас не вимагатимеш.
Друга й серйозніша причина — суто фізична. Поведінка атомів підпорядковується законам не класичної, а квантової механіки, і поки ми не вивчимо квантову механіку, не можна всерйоз говорити про вивчення властивостей речовини. Йдеться не просто про перехід від великих предметів до маленьких, наприклад від автомобілів до більярдних куль, різниця між законами класичної і квантової механіки набагато глибша й суттєвіша, і багато пояснень, якщо виходити з класичної механіки, будуть просто неправильними. Тож багатьох речей ми поки що ніяк не можемо зрозуміти, однак ми будемо підкреслювати щоразу, коли пояснення заведуть нас у глухий кут, щоб хоча б попередити, де він міститься. Саме для цього й говорилося про квантову механіку в попередніх розділах: треба було зрозуміти, в яких випадках відмовляє механіка класична.
Чому ж ми взагалі вивчаємо властивості речовини? Чи не краще було б почекати з півроку або рік, поки ми не підучимо теорію ймовірностей і квантову механіку, а вже потім взятися за властивості речовини ґрунтовніше? На це слід відповісти, що важкі речі краще вивчати не поспішаючи! Спочатку ми — погано чи добре — ознайомимося із загальними ідеями, подумаємо, що може статися за тих чи інших обставин, а потім, коли краще пізнаємо основні закони, сформулюємо все це точніше.
Кожен, хто хоче всерйоз аналізувати властивості речовини, повинен спочатку записати основні рівняння і спробувати їх розв'язати. Але кожного, хто починав з цього, чекала невдача. Успіх приходив лише до тих, хто підходив до справи як фізик: у цих людей спочатку не було нічого, крім грубої ідеї, а потім вони знаходили правильне наближення, міркуючи, що в цій важкій ситуації можна вважати великим, а що малим. Задачі в цій галузі настільки складні, що навіть не дуже чітка й половинчаста ідея виправдовує витрачений на неї час, і можна знову й знову повертатися до однієї й тієї самої задачі, наближаючись потроху до її точного розв'язку. Так ми і чинимо в нашому курсі.
І ще одна причина, з якої ми зараз приступаємо до вивчення властивостей речовин: нам уже доводилося зустрічати схожі ідеї, наприклад у хімії. Деякі з них відомі нам зі школи. Було б цікаво зрозуміти їх з погляду фізика.
Ось один з найзахопливіших прикладів: відомо, що рівні об'єми газів містять при однакових тиску й температурі рівне число молекул. Авогадро першим зрозумів закон кратних відношень: з того, що в хімічній реакції між двома газами об'єми реагуючих газів відносяться як цілі числа, випливає, що рівні об'єми містять рівне число атомів. Але чому в рівних об'ємах міститься рівне число атомів? Чи можна пояснити це, виходячи із законів Ньютона? Для цього вам доведеться вивчити цей розділ. Ми ще будемо надалі багато говорити про тиски, об'єми, температуру й теплоту.
При цьому ми виявимо, що багато співвідношень між властивостями речовини можна зрозуміти, не сказавши жодного слова про атоми. Наприклад, якщо якесь тіло стиснути, воно нагріється; якщо тіло нагрівати, воно почне розширюватися. Зв'язок між цими явищами можна зрозуміти, не вивчаючи будови тіла. Наука, яка займається такими речами, називається термодинамікою. Звісно, глибоке розуміння термодинаміки можливе лише після докладного вивчення механізму, що лежить в основі того чи іншого процесу. Ось цим ми і займемося: ми приймемо з самого початку той факт, що всі речовини складаються з атомів, і спробуємо зрозуміти властивості речовини й закони термодинаміки.
Отже, почнемо вивчення властивостей газів, виходячи із законів Ньютона.