Молекулярная физика изучает физические свойства вещества в различных агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном - в связи с ее строением, межмолекулярным взаимодействием и особенностями движения молекул.
Согласно молекулярно-кинетических представлений любое тело - твердое, жидкое или газообразное - состоит из большого числа весьма малых частиц - молекул *. Молекулы любого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом движении, в котором нельзя выделить преобладающего направления, а интенсивность его зависит от температуры вещества.
Непосредственным доказательством существования хаотического движения молекул является броуновское движение. Это явление заключается в том, что очень малы (их можно наблюдать только с помощью микроскопа) взвешенные в жидкости частицы всегда находятся в состоянии непрерывного, беспорядочного движения, который не зависит от внешних причин, а является проявлением внутреннего движения частиц, из которых состоит вещество. Броуновское частицы движутся под влиянием беспорядочных столкновений с молекулами вещества.
Молекулярно-кинетическая теория имеет целью объяснить свойства тел, непосредственно наблюдаются на опыте (давление, температуру и др.), как суммарный эффект действия молекул. Для этого она использует статистический метод, рассматривая не движение отдельных молекул, а лишь некоторые усредненные величины, характеризующие движение большой совокупности частиц.
Молекулярная физика рассматривает явления, которые являются результатом совокупности действия многих частиц. Эти явления, в которых принимает участие огромное количество частиц, подлежат законам больших чисел, или законам статистики.
Совокупность большого числа молекул обладает свойствами, которых не имеет каждая молекула отдельно. Такими свойствами совокупности являются, например, давление, температура, теплопроводность, вязкость и т.п.. Поэтому движение такой совокупности молекул является уже новой, качественно отличается от механической, формой движения материи, хотя движение каждой молекулы отдельно подлежит законам механики. Возникновение в совокупности молекул новых свойств, которых нет в отдельных молекулах, является одним из конкретных проявлений положения диалектического материализма о возникновении новой свойства вследствие количественных изменений.
Существует определенный качественный и количественный связь между свойствами совокупности молекул и средними значениями тех физических свойств, которые характеризуют поведение и свойства каждой молекулы отдельно. Например, температура газа связана со средним значением кинетической энергии молекулы. Для установления этой связи не нужно точно знать положение или скорость каждой отдельной молекулы, а достаточно знать вероятные их значения.
Статистика оперирует средними значениями тех физических величин, характеризующих поведение и свойства каждой отдельной молекулы. Поэтому ни направление движения, ни скорость отдельной молекулы, ни концентрация их в каждом малом объеме теперь не играют существенной роли, а важны только средние значения этих величин. Ввод средних значений величин в молекулярной физике обусловлено не только тем, что мы не можем следить за движением каждой молекулы отдельно через большое количество их, но и тем, что совокупность огромного числа молекул имеет новые свойства, которых нет в каждой молекулы отдельно, и подлежит новым статистическим законам.
Категории вероятности играют в науке возрастающую роль и тесно связанные с познанием внутренних свойств, с раскрытием внутренней структуры относительно элементарных объектов. Динамические законы действуют только там, где можно не учитывать внутреннюю структуру объектов. Учет структуры, анализ многих физических свойств непременно связаны с введением вероятностей и применением вероятностных методов. Статистические законы выражают объективную необходимость в ее неразрывной связи со случайностью, они не пренебрегают случайностью, а рассматривают ее как форму выявления необходимости.
Обращаясь к истории развития молекулярно-кинетических представлений, следует прежде отметить, что представление об атомистической строении вещества были высказаны еще древними греками. Они утверждали, что основой всех вещей является материя, понимая под ней вещество.
Фалес представлял материю как бесконечный проявление основного вещества - воды. Анаксимен за единую материальную первооснову принимал воздуха. Основоположник древнегреческой диалектики Гераклит пошел дальше Фалеса и Анаксимена. Он утверждал, что мир един из всего не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняется и закономерно угасает.
По Гераклиту, огонь является первоосновой, движущей силой. Греческие философы Левкипп (V в. До н. Н.э.), Демокрит (ок. 460-370 до н. Н.э.) и Эпикур (341-270 до н. Э) были уверены в существовании предела делимости материи. С необычайной убедительностью, с поэтическим пафосом учения атомистов изложены в философской поэме Лукреция Кара (ок. 96-55 до н. Н.э.) под названием «О природе вещей *, дошедшая до наших дней. В греческих философов атомы неделимы в геометрическом и механическом смысле. Само слово «атом * греческого происхождения и означает« неделимый ». Взаимодействие между атомами философы-атомисты сводили к чисто механической, наделяя атомы специальным механическим устройством, чтобы обеспечить им возможность сцепления.
В XVIII - XIX вв. ученые считали, что существует специальный вид сил, так называемые силы химической «родства», в результате которых происходит взаимодействие между атомами и молекулами вещества. Тогда был распространен метод выяснения нового явления введением специальных сил.
Весомый вклад в развитие атомно-молекулярных представлений сделал М. В. Ломоносов (1711-1765). Он поднялся до понимания закона сохранения материи и движения как единого и общего закона природы, чем опередил развитие физики более чем на полтораста лет. М. В. Ломоносов является основоположником молекулярно-кинетической теории, он раскрыл природу теплоты, связанной с движением частиц тела, и взаимной превращаемость тепловой и механической форм движения.
Большое значение для науки в целом и для атомистической теории в частности мало открытия в 1869 г. Периодически закона Д. И. Менделеевым, с помощью которого он установил периодическую зависимость свойств простых тел и соединений элементов от атомных масс элементов. На основании этого закона Д. И. Менделеев пришел к выводу, что количество элементов ограничено, периодичность элементов является законом природы, предсказал существование ряда элементов и их свойства. Эти далеко теоретические предсказания позволили на опыте проверить закон, на много лет вперед указать путь развития не только химии, но и физики. К Д. И. Менделеева химические элементы рассматривались изолированно, вне связи между ними, вне развитием их, поэтому попытки систематизации элементов не давали существенных последствий. Открытие Д. И. Менделеева было не только научным, но и философским обобщениям. Периодический закон является одним из наглядных проявлений диалектического закона возникновения нового свойства в результате количественных изменений.
Итак, в XIX в. молекулярные представления закрепились в науке окончательно. Признание реального существования атомов было положено в основу молекулярно-кинетической теории газов Дж. Максвеллом, JI. Больц-Маном, M. М. Пироговым и другими физиками, которые опирались в своих научных исследованиях на материалистические представления об окружающем мире.