Основы физики

Введение

В этой главе мы рассмотрим самые основные представления современной физики — природу вещей, как мы сейчас ее представляем. Мы не будем останавливаться на истории того, как стало известно, что все эти представления истинны; вы узнаете это в свое время.

Те вещи, с которыми мы имеем дело в физике, являются нам в обилии различных форм и с множеством различных свойств. Например, если мы стоим на берегу и смотрим на море, нам предстают вода, волны прибоя, пена, хлюпанье воды, шум, запахи, ветер и облака, солнце, голубое небо и свет; тут есть песок и камни различной твердости и прочности, цвета и строения. Здесь рыбы и водоросли, их жизнь и гибель, и вы, стоящий на берегу. Возможно, здесь даже присутствуют счастье и мысль. И в любом другом месте в природе вы встретите не меньшее разнообразие явлений и влияний, и столкнетесь с их огромной сложностью. Любопытство толкает нас к тому, чтобы задавать вопросы, ухватить суть вещей и понять это множество явлений как, возможно, вытекающее из действия сравнительно небольшого количества простейших процессов и сил, в их бесконечно разнообразных сочетаниях.

Мы спрашиваем себя: песок — это то же самое, что камни? То есть, не является ли песок просто огромным множеством крошечных камней? Является ли Луна большим камнем? Тогда поняв, что такое камни, поймем мы также песок и Луну? Ветер — это такой же всплеск воздуха, как всплеск воды в море? Какие общие черты имеют различные движения? Что общего между всевозможными видами звука? Сколько есть различных цветов? И так далее. Таким образом мы пытаемся проанализировать все вокруг, связать то, что нам кажется несвязуемым, в надежде, что нам удастся сократить количество различных явлений и тем самым понять их лучше.

Несколько веков назад был изобретен способ, позволяющий найти частичные ответы на подобные вопросы. Наблюдение, размышление и эксперимент составляют то, что называется научным методом. Нам придется ограничиться простым описанием фундаментальных идей физики, или основополагающих представлений, выросших из применения научного метода.

Что значит для нас «понять» что-либо? Можно представить, что это сложнейшее сочетание движущихся объектов, которое и есть «мир», — это что-то вроде шахматной игры, в которую играют боги, а мы наблюдаем ее со стороны. Мы не знаем, каковы правила игры; все, что нам разрешили, — просто смотреть, как играют. Конечно, если мы наблюдаем достаточно долго, в конце концов мы можем уловить некоторые из правил. Фундаментальная физика — и есть такие правила игры. И даже если бы мы знали все правила, это не значит, что мы поняли бы, почему в игре делаются именно такие ходы, из-за их сложности или ограниченности нашего ума. Если вы играете в шахматы, то должны знать, что выучить все правила несложно, и все же часто очень сложно избрать самый лучший ход или понять, почему игрок делает именно такой ход. То же и в природе, только в гораздо большей степени. Не исключено, что в конце концов все правила будут найдены, но пока не все они нам известны. (Время от времени вдруг происходит какая-то рокировка, которую мы все еще не понимаем.) Помимо того, что мы не знаем всех правил, круг явлений, которые мы можем объяснить на их основе, очень ограничен, потому что почти все реальные ситуации настолько сложны, что мы не можем участвовать в игре, просто следуя правилам, и еще менее — предугадать очередной ход. Поэтому мы должны ограничиться самыми основными правилами игры. Если мы знаем правила, то уже считаем, что «понимаем» мир.

Откуда мы можем знать, что правила, которые мы «угадываем», спрведливы на самом деле, если мы не можем проанализировать игру до конца? Грубо говоря, есть три способа проверки. Во-первых, возможны ситуации, когда природа сама, или с нашей помощью, производит формы простые, состоящие всего из нескольких частей, тогда мы можем в точности предсказать, что произойдет, и таким образом проверить наши правила в действии. (В одном углу шахматной доски может оказаться лишь несколько фигур, и тогда мы можем легко представить их ходы.)

Второй хороший способ проверки правил — использовать более общие правила, выводимые из них. Например, слон по правилам ходит только по диагонали. Из этого можно заключить, что, сколько бы ходов ни было сделано, слон останется на клеточке того же цвета, что и в начале. Поэтому, даже не вникая в детали, мы всегда можем проверить наше предположение о слоне, определяя, действительно ли слон находится на клеточке того же цвета. Конечно, он будет долго соответствовать этому правилу, пока вдруг мы не обнаружим его на клетке другого цвета (что, конечно, может случиться, если он был побит, пешка прошла на последнюю горизонталь и превратилась в слона). Вот так бывает и в физике. Долгое время мы имеем правило, которое отлично работает всегда и повсюду, далее когда мы не можем понять тонкостей игры, и потом, в один прекрасный момент, мы обнаруживаем новое правило. С точки зрения основ физики, наибольший интерес представляют как раз явления в таких новых местах, где правила не работают — а не те, где они действуют. Именно так открываются новые правила.

Третий способ убедиться, правильны ли наши представления об игре, относительно неточен, но зато самый мощный из всех. Это путь грубых приближений. Хотя мы можем и не знать, почему Алехин двигает именно эту фигуру, возможно, мы можем приблизительно понимать, что он собирает фигуры вокруг короля, чтобы защитить его, потому что это наиболее разумно в данной ситуации. Подобным же образом, мы часто более или менее можем понять природу, даже не понимая, что делает каждая фигура в отдельности, если использовать терминологию шахматной игры.

Когда-то все явления природы были примерно разбиты на классы, такие как тепло, электричество, механика, магнетизм, свойства веществ, химические явления, свет (или оптика), рентгеновские лучи, ядерная физика, тяготение, мезонные явления и т. д. Однако целью является — увидеть природу как различные стороны единой совокупности явлений. Такова сегодня проблема фундаментальной теоретической физики — обнаружить законы, стоящие за опытом; объединить эти классы. История показывает, что раньше нам всегда удавалось их слить, но с ходом времени обнаруживались новые открытия, и опять вставала задача их включения в общую схему. С объединением все было очень хорошо, пока, совершенно неожиданно, не были обнаружены рентгеновские лучи. Потом мы продвинулись еще немного, и тут было открыто существование мезонов. Так что на каждой стадии игры до объединения оказывается далеко. Значительная часть явлений слита воедино, но всегда остаются обрывки и куски, которые торчат в разные стороны. Так обстоят дела и сейчас, и мы попытаемся это описать.

Вот некоторые исторические примеры слияния: во-первых, теплоту удалось свести к механике. Чем сильнее движутся атомы, тем больший запас тепла содержит система; поэтому теплота и все температурные эффекты, могут быть поняты, при помощи законов механики. Другим чрезвычайно важным слиянием было открытие связи между электричеством, магнетизмом и светом, которые оказались различными аспектами одного и того же явления, которое мы сейчас называем электромагнитным полем. Еще одно слияние — это объединение химических явлений, свойств различных веществ, с поведением атомных частиц в рамках квантовой химии. Возникает естественный вопрос: удастся ли в будущем объединить всё, и обнаружить, что весь мир представляет собой различные стороны единого? Этого никто не знает. Все, что нам известно, — продвигаясь в познании, мы обнаруживаем, что можем объединить фрагменты картины, а потом мы обнаруживаем, что некоторые фрагменты не подходят, и не остается ничего иного, как продолжать биться над этой головоломкой. Ограничено ли в ней число фрагментов, и вообще есть ли у нее границы, мы, конечно, не знаем. Это не будет известно никогда до тех пор, пока мы не составим вместе все части головоломки. Если это вообще когда-нибудь случится. Здесь мы просто хотим показать, насколько продвинулся вперед этот процесс слияния, и насколько сейчас удается понимать основные явления, исходя из минимального набора принципов. Или, выражаясь проще, из чего все состоит и сколько есть несводимых друг к другу элементов?