Пролог: введение в физику
1. К какому виду принадлежит физик?
Целью физики является ни больше ни меньше как определение фундаментальных законов, которые управляют Вселенной и ее развитием: знание прошлого, понимание настоящего, предвидение будущего. Помимо открытия механизмов, действующих в природе, именно физика обеспечила стремительный технический прогресс, который продолжается и сегодня: автомобили и самолеты, телевизоры и холодильники, компьютеры и музыкальные центры, различные промышленные машины, которые шьют одежду и производят бетонные блоки для наших домов…
Физика дает ответ на самые простодушные наши вопросы: что такое материя? Что такое свет? Почему мы, как и свет, не можем проходить сквозь стену, а звук может? Почему все вокруг окрашено в разные цвета, почему небо голубое? Почему Земля круглая и почему она вертится? Что скрывается за словом «магнетизм», что такое электричество и молния?
Сила физики, ее поистине волшебное свойство в том, что ответы на все – абсолютно все! – эти вопросы содержатся в одной-единственной фразе. Эта фраза также описывает все разделы физики, перечисленные выше. Вот как она звучит:
«От мира атомов до целых галактик во Вселенной существует две основополагающие силы – сила гравитации и электромагнитная сила».
Понятно, почему физики-исследователи XXI в. делают основную ставку на объединение этих двух сил: как прекрасно было бы привести все к единой Силе, управляющей Вселенной!
На самом деле существование этих двух сил, которое мы можем лишь констатировать, служит основой того, что мы называем классической физикой. Однако, произнеся фразу о силах Вселенной «от мира атомов до целых галактик…», мы немного схитрили, подразумевая, что это верно для материи любого масштаба. Это неправда!
Если заглянуть внутрь атома, мы обнаружим два новых вида взаимодействия: слабое и сильное. На этом уровне возникает совершенно новая физика, особенности которой на первый взгляд не имеют ничего общего с физикой классической: речь идет о квантовой физике. Законы этого измерения становятся затейливой игрой вероятностей, где даже вопросы «где?» и «когда?» теряют свой смысл.
Означает ли это, что следует различать две разные системы законов – физики квантовой и классической? Нет, потому что квантовая физика охватывает и физику классическую, которая является лишь частным случаем первой. Например, согласно квантовым законам, наше тело не имеет четких пространственных пределов. Но эта размытая граница имеет столь малую протяженность, что ее невозможно увидеть под микроскопом.
Именно поэтому не стоит использовать свайный молот (квантовую физику), чтобы убить муху (понять законы Вселенной нашего масштаба). И именно поэтому ответы на все вопросы, которые мы задали в начале этого раздела, мы находим в физике классической.
Разумеется, в данной книге мы позволим себе удовольствие также поговорить и о квантовых законах, потому что они помогают ответить на очень важные дополнительные вопросы: почему мы не светимся в темноте подобно пламени свечи? Откуда берется энергия Солнца? Что такое радиоактивность?..
Тем более что эти законы описывают странный и захватывающий мир – мир, в котором мы живем!
Думать как физик означает применять научный подход, а именно: наблюдать, моделировать, экспериментировать.
Наблюдать
В отличие от математики задача физики состоит в том, чтобы понять реальность вещей, а не производить абстрактные построения. Таким образом, все начинается с тщательного наблюдения за явлениями вокруг нас.
ЯВЛЯЕТСЯ ЛИ МАТЕМАТИКА НАУКОЙ?
Математика представляет собой совокупность понятий, развиваемых до бесконечности, которые формируют связную структуру с неоспоримой логикой. Но она остается абстрактной дисциплиной, по своей сути отделенной от реального мира. Ни наблюдений за природными явлениями, ни экспериментов: математика сама по себе не соответствует «научному подходу», который мы выдвинули на передний план.
Зато ее можно назвать набором инструментов, чрезвычайно полезных разным наукам, в частности физике: именно поэтому ее можно назвать научной дисциплиной.
Моделировать
Установление связи между изначально разными явлениями для получения единой синтетической теории – центральный этап физики!
Например, констатировать, что движение Луны по небу или падение яблока с ветки – проявления одного и того же закона, что с первого взгляда вовсе не очевидно. Однако установление этой связи открыло широкое поле для предсказаний, что сегодня позволяет посылать космические зонды на Марс и даже дальше…
Именно на этом этапе физикам так необходим этот исключительно полезный инструмент: математика… Но в данном случае мы предпочтем объяснять суть явлений, не пользуясь математикой. Мы увидим, что множество интересных выводов можно сделать и без нее!
Экспериментировать
Физика не должна натыкаться на некоторые подводные камни. Порой абсолютно противоположные теории пытаются объяснить какое-то наблюдение. Какая же из них верна? Чтобы это узнать, необходимо провести опыты, которые проверят предположения этих разных теорий. Подобное «испытание огнем» мучительно для физиков-исследователей, ведь долгие годы напряженного труда могут закончиться вердиктом «не соответствует реальности, следовательно – ложно», который предаст теорию забвению… А искушение отринуть накопившиеся факты так сильно.
Если проведено достаточно опытов, в идеале должна выстроиться единственно правильная теория. Самые горячие споры современной науки касаются областей, где опыты проводить очень сложно – это мир бесконечно большого (астрофизика и космология) и мир бесконечно малого (физика элементарных частиц).
БРИТВА ОККАМА
Иногда две теории могут долго конкурировать друг с другом так, что ни от одной из них невозможно решительно отказаться. То же самое бывает, когда мы не можем решить, какое количество опытов будет достаточным.
История науки свидетельствует, что, как правило, верной оказывается теория, для построения которой использовалось наименьшее количество гипотез, если она подтверждается всеми последующими опытами: это правило «бритвы Оккама», названное так по имени философа Уильяма Оккама, который сформулировал его в XIV в. Другими словами, теория наиболее простая, наиболее «элегантная» является верной.
Самый знаменитый пример – соперничество теории, согласно которой Земля является центром Вселенной, с утверждением Коперника, что Земля вращается вокруг Солнца. По мере того как все новые измерения понемногу кое-что уточняли, традиционную теорию приходилось корректировать вновь и вновь, прибавляя все новые искусственные круги к небесному своду (эпициклы). Коперник же своей простой гипотезой (Земля вращается вокруг Солнца) объяснял все новые измерения с дьявольской точностью. Старая модель рассыпалась в прах, поскольку не могла предсказать новые наблюдения, и сегодня ее нарочитая сложность вызывает улыбку.
Но возможно, сейчас, в начале XXI в., история повторяется: ибо стандартная модель, которая описывает элементарные частицы и их взаимодействие, вынуждена объединять множество частиц, взятых наугад, чтобы соответствовать новым экспериментам. Однако есть такие, кто надеется когда-нибудь увидеть, как бритва Оккама порежет стандартную модель на мелкие куски…
Следует, однако, заметить, что, в отличие от эпохи Коперника, сейчас никакой конкурирующей теории не существует, следовательно, на данный момент стандартная модель является наилучшей.
Как далеко может проникнуть физика в описании мира? Теоретически фундаментальные законы должны позволить объяснить всю совокупность явлений объективного мира. Но на практике речь уже не идет о физике как таковой, когда изучаемые системы становятся слишком сложными, а связь с фундаментальными законами Вселенной слишком тонкой.
Однако самой сложной из всех систем, по всей вероятности, является человеческое тело, а в более широком смысле – вообще все живое. Здесь начинается биология: ввиду сложности рассматриваемых процессов приходится довольствоваться эмпирической констатацией фактов, весьма далеких от фундаментальных законов природы.
Например, почему такой-то ген, состоящий из таких-то атомов, придает волосам каштановый цвет? Нам это неизвестно, и физике приходится признаться в своем бессилии, даже если в конечном итоге окажется, что причиной всему лишь два основополагающих взаимодействия, упомянутые вначале…
На границах физики и биологии находится химия: недаром все живое по сути лишь комплекс чрезвычайно сложных химических процессов. Химия также оперирует эмпирическими законами: существует множество объемных трудов по химии, которые начинаются таблицами, заполненными чисто экспериментальными величинами…
Химия изучает процессы на микроскопическом уровне: сюда же мало-помалу пытается проникнуть квантовая физика, чтобы понять и предсказать наблюдаемые реакции. Впрочем, химия позиционируется как составная часть «физических наук»[1], разумеется наряду с физикой.
Возвращаясь к биологии, заметим, что процессы, происходящие в мозге, – самые сложные, изучение их пока еще делает свои первые шаги. Например, как происходит переход между объективным и субъективным, то есть между телом и сознанием? Управляют ли нами только законы физики? Эти захватывающие, но пока неразрешимые вопросы открывают путь ко всем остальным дисциплинам: они лежат в основе законов, присущих тому, что мы называем «общественными науками».
Изучение работы мозга и связь с сознанием кажутся абсолютно не относящимися к теме данной книги; однако не исключено, что однажды физика сможет дать ответы на эти вопросы, как в прошлом она ответила на многие вопросы древних философов. А потому в конце вы обнаружите главу, посвященную этой захватывающей науке будущего…
2. Немного об истории наук
Научный подход не свойствен нам с рождения: древнейшие цивилизации мира – Египет и Месопотамия – не были с ним знакомы, несмотря на свои знания. Люди ограничивались наблюдением за природой и непосредственным использованием результатов своих наблюдений. Например, египтяне видели, что ежегодные разливы Нила делают землю плодородной, но не стремились понять их причину, приписывая все божественному вмешательству.
Именно греки в VII в. до н. э. первыми объединили пристальное наблюдение с желанием понять и создать теорию. Большое преимущество хорошо выстроенной теории – в том, что она открывает новые сферы ее применения без очевидной связи с первоначальными наблюдениями. «Изобретая» научный подход, греки закладывают основу науки, в десять раз увеличивающей возможности инноваций, – физики. В эпоху Возрождения Европа сумеет извлечь из этого пользу…
Греки больше известны как математики (Фалес, Пифагор, Евклид) или как философы (Сократ, Платон, Аристотель), а не физики. Однако в ту эпоху великие мыслители были немного и теми, и другими, и третьими.
Так, в III в. до н. э. Эратосфен не только знал, что Земля круглая, но и с большой точностью вычислил ее окружность (40 000 км) примитивным, но вполне адекватным способом. Если бы спустя 1700 лет Христофор Колумб принял изыскания Эратосфена всерьез, он вряд ли отправился бы на поиски Индии на Запад, полагая, что размеры Земли гораздо меньше. Что уж говорить о некоторых мыслителях Средневековья, считавших, что Земля плоская…
Однако самым знаменитым греческим ученым-физиком остается Архимед (III в. до н. э.) с его открытием соотношения между объемом вытесненной жидкости и погруженного в нее тела.
По прошествии этого благоприятного периода римляне используют накопленные знания, однако сами научных талантов не проявляют. Затем, когда Европа погружается в Средневековье, эстафету принимают арабы, но важных открытий в физике не делают. К этому времени китайцы уже используют компас и пушечный порох, но также не стремятся постичь принцип их действия: как до них египтяне и шумеры, они являются скорее наблюдателями, нежели теоретиками. Позднее европейцы сумеют перенять их открытия, найдя им более выгодное применение…
В XVI в. Европа пробуждается: изгнав арабов из Испании, европейцы сумели воспользоваться их знаниями, унаследованными от греков, а изобретение книгопечатания способствовало их распространению среди ученых: наступила эпоха Николая Коперника.
ГРЕКИ – ГЕНИАЛЬНЫЕ ФИЗИКИ?
Великие адепты сложных философских и математических рассуждений, греки порой пренебрегали опытами для подтверждения своих теорий…
Так, за пять веков до н. э. Пифагор считал, что Земля круглая, однако основывал свою теорию на непогрешимом совершенстве окружности (число π – отношение длины окружности к ее диаметру – абсолютно греческое). И только позднее эта гипотеза будет (к счастью!) подтверждена наблюдениями.
Еще один пример: Аристотель в IV в. до н. э. вследствие несколько поспешных утверждений полагал, что человек, находящийся в транспортном средстве, движущемся со скоростью 50 км/ч, будет в буквальном смысле пригвожден к стенке. К счастью, полеты на современных авиалайнерах со скоростью 900 км/ч эту теорию не подтверждают!
Даже если греки часто ошибались, выстраивая физические теории, все-таки они сделали значительный шаг вперед. Не будем забывать, что они добились в этом больших успехов.
И все же настоящий научный подход в Европе начали использовать не раньше 1600 г. Галилей, один из крупнейших физиков эпохи Возрождения, открывает множество физических законов, которые впоследствии уточнит и сформулирует Исаак Ньютон. Первейшая задача теперь – понять природу движения тел, что приводит к возникновению отдельной дисциплины – механики.
В этот же период Рене Декарт изучает свойства света, закладывая основы оптики; но он считает, что свет состоит из маленьких подвижных шариков, а значит, относится к сфере механики.
Следующее столетие проходит довольно спокойно. Антуан Лавуазье порывает с традиционной алхимией, наполовину смешанной с эзотерикой, в пользу истинно научной дисциплины – химии.
Настоящая научная революция происходит на рубеже XIX в.: именно в это время, на протяжении столетия окончательно оформилась почти вся классическая физика. Научные открытия сопровождаются появлением новых технологий: стремительное развитие физики вызывает промышленную революцию, последствия которой мы наблюдаем и сегодня.
В конце XVIII в. изобретена паровая машина: дисциплина, связывающая механику и термические процессы, называется термодинамикой. В последующие годы она станет основой множества других инноваций.
В это же время на первый план выходит существование некой странной силы – электромагнитной; она становится предметом пристального исследования. С ее изучением связаны имена таких ученых, как Шарль де Кулон, Андре-Мари Ампер, Карл Фридрих Гаусс и Никола Тесла. Джеймс Клерк Максвелл завершает их работу, сформулировав важное синтетическое понятие электромагнетизма.
Электричество, без которого сегодня невозможно обойтись, является одним из примеров его применения. Другая чрезвычайно важная область использования этого явления – изучение света и других излучений, таких как радиоволны и рентгеновские лучи. Внезапно становится очевидным, что информация и энергия могут почти мгновенно перемещаться из одного уголка земного шара в другой с помощью проводов (электричество) или без них (излучение).
В конце XIX в. физика перевернула мир и заняла свое место на пьедестале.
На заре ХХ в. все как будто на своих местах. Природа кажется окончательно прирученной. Однако, с одной стороны, законы электромагнетизма содержат в себе противоречия, с другой стороны, некоторые оптические эксперименты не находят объяснения.
Именно тогда на сцене появляется молодой физик Альберт Эйнштейн: приняв за основу утверждение, что время не для всех течет одинаково, он выдвигает теорию, которая ставит все на свои места: теорию относительности. Наконец-то преодолены все теоретические противоречия физики, волнения ХIХ в. улеглись, отныне физика предстает единым целым и представляет собой совокупность двух основополагающих взаимодействий: гравитации и электромагнетизма.
ЭЙНШТЕЙН, ОДИНОКИЙ ГЕНИЙ?
Альберт Эйнштейн иногда представляется одиноким гением, столь велика была сила его ума. На самом же деле его специальная теория относительности (содержащая знаменитую формулу Е = mc²), выведенная в 1905 г., логически вполне соответствовала духу времени. Анри Пуанкаре и за ним Хендрик А. Лоренц уже заложили основу новой теории, а Эйнштейн лишь сформулировал ее. Его заслуга в том, что он признал то, что отказывались признать другие: время и пространство понятия относительные.
В последующей общей теории относительности Эйнштейн подтвердил свою гениальность, изменив традиционный взгляд на силу тяготения. И все же Эйнштейн целиком и полностью остается представителем классической физики: более того, именно он венчает собой дисциплину, основы которой заложил Галилей.
Что же касается квантовой физики, Эйнштейн остается одним из главных ее создателей в том же 1905 г. (для физики это год чудес!). Однако в дальнейшем он будет считать ее странной и неустойчивой.
ПЛАНК: У МОЕЙ ПОСТОЯННОЙ НЕТ БУДУЩЕГО
Квантовая физика определяет, что каждая частица находится в нескольких местах одновременно, но обретает конкретные координаты, как только становится объектом наблюдения…
Вначале создатели этой теории не слишком ей доверяли: так, Макс Планк считал, что просто «затыкает дыры» до тех пор, пока реальное положение вещей не будет понято до конца.
И все же постоянная Планка действительна до сих пор и является одной из фундаментальных констант наряду со скоростью света Эйнштейна. Сегодня, несмотря на свою парадоксальность, квантовая физика прочно обосновалась среди других наук, ибо только она подтверждается экспериментом, а физику никогда нельзя забывать, что природа всегда права…
Таким образом, квантовая физика завершает полтора столетия напряженных исследований. После 1925 г. развитие физики в основном состоит в открытии новых частиц и формулировании двух новых сил, действующих на уровне атомного ядра: слабого и сильного взаимодействия.
Теория, призванная связать воедино все новые открытия, дабы создать из них логичную систему, называется стандартной моделью. И все же она ограничивается применением квантовых законов начала ХХ в. к недавно открытым частицам, объединяя в себе две новые фундаментальные силы. Стандартная модель была оформлена в 1973 г. и до сегодняшнего дня не подвергалась сомнению.
Но природа жестока; когда физики радуются проделанной работе, она поворачивается к ним спиной. В 1900-е гг. результаты некоторых опытов выявляют серьезные затруднения. Даже свет обнаруживает странные и парадоксальные свойства, представая то в виде шариков Декарта, то в виде волн Максвелла. Что еще более странно, сама материя начинает проявлять ту же корпускулярно-волновую двойственность. Короче говоря, вся устойчивая система рушится, по крайней мере на микроскопическом уровне.
И вот Макс Планк, сам того не подозревая, закладывает первый камень совершенно новой дисциплины, которой суждено разрешить все эти парадоксы, – квантовой физики. Чтобы понять и теоретизировать алогичные процессы, происходящие на микроскопическом уровне, требуются усилия множества ученых: кроме Макса Планка Альберт Эйнштейн, Луи де Бройль, Нильс Бор, Эрвин Шрёдингер, Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули и многие другие внесли свой вклад в общее дело.
С 1925 г. квантовая физика занимает свое место среди научных дисциплин. Несмотря на всю свою странность и парадоксальность, она соответствует критериям хорошей теории: с помощью ограниченного числа обоснованных постулатов она с величайшей точностью объяснила все наблюдения, сделанные до сих пор. Более того, сопоставление результатов релятивистской и квантовой теории позволило понять природу радиоактивности и бурных процессов, происходящих в атомном ядре: подчиненная человеку ядерная физика получила возможность продемонстрировать свою мощь в 1945 г. …
Тем не менее в этом мире остается еще много процессов, которые нам предстоит понять хотя бы на уровне нашего измерения. Возьмем пример: магнитное поле Земли сильно менялось в прошлом, и всегда очень по-разному. До сих пор остаются малопонятными механизмы, управляющие этим феноменом, и мы не можем предсказать будущую эволюцию магнитного поля даже на ближайшие сто лет. Однако эти изменения наверняка сыграли свою роль в развитии жизни на Земле…
Это пример вопроса, который и по сей день остается без ответа. Очевидно, что достаточно знания фундаментальных законов, чтобы понять все эти процессы, однако явления эти столь сложны, что обнаружить управляющие ими механизмы чрезвычайно трудно.
Таким образом, следует различать две дисциплины: фундаментальную физику, которая изучает законы, управляющие Вселенной, чья структура оформилась в конце XIX – начале ХХ в., и прикладную физику, которая пытается понять сложные механизмы на основе законов, имеющихся в ее распоряжении.
Этим объясняется то, что смена технологических инноваций происходит безудержным темпом; их подавляющее большинство основано на физических законах, выведенных в начале XIX в. Это рождает иллюзию того, что развитие физики происходит непрерывно.
Разумеется, не исключено, что однажды будут открыты новые законы, которые создадут другие ветви физической науки. Они наверняка будут связаны с микромиром или с областью высоких энергий, и, возможно, это откроет новые области их применения, в том числе и в повседневной жизни.
Кроме того, остается выяснить, почему фундаментальные константы имеют такую величину, а не другую, почему новые частицы имеют такую массу и такой заряд – значения, которые нам представляются спорными. Так, стандартная модель базируется на двадцати девяти чисто экспериментальных параметрах. Для «унитарной» вселенской теории это довольно много, и вполне вероятно, что однажды появится новая теория, количество параметров которой будет меньше.
Наконец, общая теория относительности и квантовая физика несовместимы в сферах (весьма загадочных!), где огромная масса сосредоточена в очень маленьких объемах (черные дыры, Большой взрыв…). Сегодня происходит построение теорий, которым предстоит дать ответы на эти вопросы. Среди прочих стоит упомянуть теорию струн как наиболее предпочтительную.
Вне всяких сомнений, у фундаментальных физических исследований впереди еще большое прекрасное будущее…