Атомы в движении
Введение
Представляя этот двухгодичный курс физики, мы исходили из того, что вы, читатель, собираетесь быть физиком. Это, конечно, не обязательно, но это то, что предполагает каждый преподаватель по каждому предмету! Если вы собираетесь быть физиком, вам предстоит изучить очень многое — плоды двух сотен лет в самой быстро развивающейся области знания. Это так много, что вы, действительно, можете подумать, что это невозможно освоить за 4 года, и вы будете правы — придется еще идти в аспирантуру!
Как это ни удивительно, несмотря на колоссальную работу, которая была проделана за все это время, огромный объем ее результатов можно очень сильно сжать — выявив те законы, к которым сводятся все наши знания. И даже эти немногие законы так трудно усвоить, что было бы нечестно по отношению к вам начинать исследование этой обширной области, не снабдив вас некой картой или наброском взаимосвязи между различными частями науки. В соответствии с этими предварительными замечаниями, первые три главы будут содержать краткий очерк взаимоотношений физики с остальными науками, отношения наук друг к другу и значения науки как таковой. Это поможет «почувствовать» предмет.
Можно спросить, почему нельзя преподавать физику, просто перечислив основные законы на первой же странице, затем показывая, как они действуют во всех возможных случаях, как мы делаем в евклидовой геометрии, где мы устанавливаем аксиомы, а потом выводим разнообразные следствия. (Что же, не удовлетворенные четырехлетним курсом физики, вы хотите выучить ее за 4 минуты?) Мы не можем идти таким путем по двум причинам. Во-первых, мы все еще не знаем всех основных законов: чем больше мы узнаем, тем больше встает вопросов. Во-вторых, точная формулировка законов физики предполагает использование некоторых очень нетривиальных идей, для описания которых требуется высшая математика. Поэтому необходима основательная предварительная подготовка уже для того, чтобы понять смысл слов. Нет, излагать физику таким образом невозможно. Можно давать ее лишь по частям.
Каждый шаг в изучении природы как целого — это всегда лишь приближение к совершенной истине, или к тому, что мы считаем совершенной истиной. На самом деле, все, что мы знаем, является тем или иным приближением, потому что мы знаем, что не знаем еще всех законов. Так что мы учимся лишь для того, чтобы разучиваться, или, точнее, переучиваться.
Основной принцип науки, почти что ее определение, гласит: всякое знание проверяется экспериментально. Эксперимент — единственный судья научной «истины». Но каков источник знания? Откуда берутся те законы, которые подлежат проверке? Эксперимент, сам по себе, помогает выводить эти законы, дает направление нашим догадкам. Но необходимо также воображение, чтобы, следуя этому направлению, прийти к глубоким обобщениям — чтобы угадать лежащие в основе чудесные, простые и неожиданные предположения. И затем — вновь путем эксперимента проверять их. Этот процесс воображения настолько непрост, что между физиками существует разделение труда: одни из них — теоретики, которые воображают, рассуждают и предполагают новые законы, но не экспериментируют. И есть физики-экспериментаторы, которые ставят опыты, воображают, рассуждают и отгадывают.
Мы сказали, что законы природы приблизительны: что сначала мы открываем «неправильные» законы, а потом «правильные». Но как может эксперимент быть «неправильным»? Во-первых, по самой простой причине — если вы не заметили, что приборы не в порядке. Но это легко исправить, все проверяя и перепроверяя. Но, если не останавливаться на таких деталях, как результаты эксперимента могут быть ошибочными? Лишь будучи недостаточно точными. Например, масса предмета, по видимости, никогда не меняется: вращающийся волчок весит столько же, сколько неподвижный. Так был изобретен «закон»: масса постоянна и не зависит от скорости. Теперь установлено, что этот закон неверен. Оказалось, что масса растет с ростом скорости, но заметное изменение требует скоростей, близких к скорости света. Правильный закон гласит: если предмет движется со скоростью меньшей, чем 100 миль в секунду, масса постоянна с точностью в одну миллионную. В такой приближенной форме данный закон верен. Так что можно подумать, что на практике нет существенной разницы между старым законом и новым. Это и верно, и неверно. Для обычных скоростей мы, конечно, можем забыть о новом законе и использовать старый закон постоянства массы как достаточно точный. Но при высоких скоростях мы будем получать неверные результаты, и чем больше скорость, тем больше будет ошибка.
В конце концов, что самое интересное, с философской точки зрения мы в корне заблуждаемся с самого начала, принимая приблизительный закон. Вся наша картина мира должна полностью измениться, даже если масса меняется хоть на чуточку. Это очень своеобразная особенность законов на уровне философского осмысления. Даже очень незначительный эффект иногда требует глубокого пересмотра наших воззрений.
Так с чего же мы должны начинать обучение? Должны ли мы предлагать правильный, но необычный закон, с его странными и трудными понятиями, например, теорию относительности, четырехмерное пространство-время и т. д.? Или же дать сначала простой закон «постоянства массы», который лишь приблизителен, зато не требует таких сложных понятий? Первый путь более приятный, заманчивый и мог бы доставить больше удовольствия, но со второго — проще начинать, и от него легче прийти к настоящему пониманию более сложных идей. Этот вопрос вновь и вновь встает при преподавании физики. На разных этапах мы будем решать его по-разному, но на любой ступени стоит учитывать уровень современных знаний, знать их точность, как это вписывается в общую картину и что может изменяться при дальнейшем развитии науки.
Итак, давайте перейдем к нашему очерку, или общей схеме, современного понимания науки (в частности, физики, но также и других близких к ней наук), чтобы впоследствии, когда мы сосредоточимся на каком-то вопросе, в нашем багаже уже было какое-то представление о том, почему это интересно, и как это вписывается в общую структуру.
Итак, какова же наша картина мира?
