Ещё за 7 лет до эйэйнштейновской ТО Циолковский опубликовал работу об относительности 2-го начала термодинамики.
Цитата из Циолковского: «…наша молекула, ударяясь о верхние молекулы с меньшей скоростью, будет замедлять их движение, вследствие чего температура верхних молекул понизится; ударяясь же с усиленною скоростью о нижние молекулы, она будет ускорять их движение, отчего их температура должна повыситься».
—-
Казалось бы, фактическое распределение температур в атмосфере соответствует этой идее, и, таким образом, 2-й закон термодинамики нарушается в гравитационном поле Земли. Однако метеорологи утверждают, что физический механизм, приводящий к такому распределению, другой. Дело в том, что солнечное излучение свободно проходит сквозь атмосферу, нагревая поверхность Земли, а уже от поверхности тёплый воздух поднимается вверх, охлаждаясь вследствие расширения.
По работе Циолковского был ряд дискуссий. Профессора МЭИ и ВТИ, ссылаясь на различные учебники, доказывали ошибочность рассуждений Циолковского. Но, видимо, показать «на пальцах» не хватало уважения к оппонентам.
Если рассказывать «на пальцах», то Циолковский не учёл того, что с приближением к гравитирующему телу плотность газа возрастает и каждая падающая молекула сталкивается, условно говоря, с (1 + ∆n/n) нижними молекулами, где ∆n – приращение плотности на расстоянии свободного пробега. Поэтому кинетическая энергия, а значит и температура верхних и нижних слоёв в состоянии равновесия одинакова, о чём более научным языком и гласит, напр., «Статистическая физика» Ландау и Лифшица.
Циолковский исходил из уравнений нерелятивистской механики, но не учёл повышение плотности газа n при приближении к Земле согласно ф-ле Больцмана
где n0 – плотность на уровне Земли, T – температура, ϕ — потенциал, m – масса молекулы.
Если бы Циолковский учёл (1), то никакого изменения температуры из-за притяжения Земли он бы не получил.
В ЛЛ т.5, §27 рассматриваются термодинамические соотношения в релятивистской области. При равновесии температура устанавливается по закону
где T0 – температура вдали от гравитирующего тела,
c — скорость света.
Температура выше в тех местах, где |ф| больше, т.е., вблизи гравитирующих тел. В нерелятивистской области (c = ∞) T = const.
Аналогичный результат можно получить непосредственно, если в соответствии с принципом эквивалентности гравитационной и инертной масс подставить в (1) выражение
где m0 – масса покоя, v – скорость частицы, в данном случае – носителя теплового движения.
Из последних рассуждений становится ясным физический смысл ф-лы (2): гравитирующие тела сильнее притягивают более тяжёлые (в данном случае – более энергичные) носители теплового движения, создавая вокруг себя повышенную температуру. Согласитесь, этот процесс один к одному соответствует деятельности «демона Максвелла», см. Википедию, а также http://viryazancev.narod.ru/re6.htm . В нерелятивистской области ничего подобного не происходит.
Указанный выше механизм для сильных гравитационных полей описан в статье этого канала «Непотенциальые взаимодействия» https://dzen.ru/a/ZYj-CL_25nM2dZtG?share_to=link.
Этот результат легко получается также моделированием в компьютерном эксперименте.
Общая схема возникновения термодинамических неравновесностей выглядит так: гравитационный центр притягивает из окружающего холодного пространства наиболее энергичные частицы (охлаждая холодное), которые вблизи центра набирают дополнительную энергию (отбирая её, опять же, у выталкиваемых холодных объектов); эти частицы вступают затем в ядерные реакции, в результате которых высокотемпературная тепловая энергия преобразуется в ядерную.
Описанные ядерные реакции были предсказаны Львом Ландау, Вальтером Бааде и Фрицом Цвикки в 1932 – 33 г.г. в нейтронных звёздах, которые были идентифицированы с пульсарами в 1960 году.
Поскольку нейтроны и радиоактивные ядра имеют значительное время жизни, в процессе диффузии (или при других процессах переноса) они уходят в окружающее пространство, снабжая его так называемым “ядерным горючим”, которое в дальнейшем служит источником всех движущих сил в природе. Компьютерное моделирование ультралоренцевских движений показывает, что даже в термодинамическом равновесии такие объекты могут вырабатывать и выбрасывать в космос нейтроны и другие радиоактивные частицы, которые в дальнейшем служат «ядерным топливом» для вновь образующихся звёзд, см. http://viryazancev.narod.ru/re12.htm .
Циолковский, несомненно, обладал развитой интуицией. Несмотря на то, что его расчёты по земной атмосфере и гравитации содержат некоторые неучтённые факторы, общая идея, в конце концов, оказывается правильной.
Окружающая природа явно не влезает в те рамки, в которые её пытались загнать Томсон и Кº.