Для чего нужна физика и другие уроки физики

…Вы спрашиваете, какие изменения внесла физика в представления современного человека? Чему научили не только те открытия, свидетелями которых мы были сами, но и те, что произошли давно, но лишь в наши дни получили правильную оценку? Я думаю, что здесь можно ответить вопросом на вопрос: ну, а что дает человеку современное искусство? Что оно — средство времяпрепровождения или что-то большее, способное заметно влиять на человеческое поведение? Если задуматься над этими вопросами, то, быть может, тогда яснее станет, что значит наука для человечества…

Урок первый, повествующий о том для чего нужна физика

Говоря очень общими словами, наука дает человеку ощущение собственного могущества, веру в собственные возможности не только познать окружающий мир, но и поставить на службу силы неизвестные дотоле или даже враждебные. Но чтобы открыть новое, надо задавать природе правильно поставленные вопросы — вопросы, на которые существует ответ. А для этого нужно овладеть искусством задавать вопросы.

Например, со времен Ньютона философы и физики спорили, что такое свет — частицы или волны? А в XX веке спор перекинулся и на электрон. В 1924 году де Бройль зародил сомнение: может быть, и электрон — в каком-то смысле волна? В то время всякому, так сказать, здравомыслящему человеку должно было быть очевидно, что на этот вопрос обязан существовать ответ, причем одно исключало другое: или частица, или волна. Конечно, было очень непросто понять, что в такой постановке вопрос правомерен, как вообще весьма трудно отрешиться от привычных, повседневных понятий.

На рубеже веков многие люди думали, что физика практически закончена и человек познал все, что можно познать. Наука же похожа на странствия Данте по сферам рая: за каждой сферой познания открывается новая; и признаки завершения науки всегда служили предвестниками новых ее взлетов. Так было и с приходом XX столетия: произошел перелом, наступила эра нового знания. Были созданы теория относительности, квантовая механика, позднее развилась наука о свете, увенчавшаяся квантовой электродинамикой, изучение атомного ядра легло в основу атомной энергетики, изучение гидродинамики, аэродинамики послужило фундаментом в освоении космоса…

Вероятно, это первый урок, который дала физика, да и вообще наука, — наше знание не статично, оно развивается и конца мы никогда не увидим; всякая развивающаяся картина позволяет упростить то, что мы знаем, и, с другой стороны, проникнуть в более тонкие, более серьезные детали.

Вот это непрерывное стремление вперед, расширение возможностей, неуспокоенность, — наверное, самые яркие особенности, свидетельствующие о влиянии науки на человека…

…Посмотрим, что же присуще развитию физики последнего десятилетия. Пожалуй, самое своеобразное — это сближение противоположностей. С давних пор физики, вернее естествоиспытатели, интересовались двумя объектами (если так скромно можно назвать целые миры). Первый объект — это вся Вселенная, устройство все больших и больших ее частей, связь между ними. И, самое главное, в наше время у Вселенной появилась история: мы стали узнавать, как все это живет, эволюционирует. Двигаясь по лучу зрения вглубь неба, мы видим все более ранние стадии развития Вселенной и в идеале сможем прочесть ее историю по тому, что мы наблюдаем на разных расстояниях от нас.

В этом заключен еще один урок: ничего или почти ничего не уничтожается. Если говорят, что рукописи не горят, то с еще большим основанием можно сказать, что и история не уничтожается: Как кольца на срезе дерева хранят сведения о погоде, как углерод-14 записывает дату его гибели, так и Вселенная хранит в себе свою биографию. В глубинах Вселенной мы видим остатки Большого взрыва, мы видим взрывающиеся и сталкивающиеся галактики, удивительные объекты — квазары, яркость которых превосходит яркость галактик. И все это выстраивается в цепочку последовательных событий, передавая нам историю Вселенной.

Второй «объект», над которым издавна размышляли естествоиспытатели, — микромир. Из чего сделано, из чего состоит ближайшее наше окружение, а в конечном счете — и далекие звезды? Очень долго атомы были, скорее, предметом изучения философии, никаких экспериментальных возможностей их исследования не существовало. Их называли атомами, корпускулами, монадами, однако это были объекты без структуры и без истории. Но пришел конец XIX — начало XX века, и человек стремительно проник в мир атомов, а позже — и в мир ядра. Здесь, как и во Вселенной, можно уходить далеко вглубь, обнаруживая все новые и новые объекты, получившие странные, может быть, даже смешные имена: бозоны, кварки, глюоны и даже випы и зипы — совсем как у лесных гномов. Эта система оказалась очень сложной, но подчиненной законам, в которых человечество постепенно разбирается.

Вроде бы здесь не видно истории. Мы просто обнаруживаем все меньшие и меньшие частицы материи, познаем их ценой крупных и дорогих экспериментов, развивая очень трудные и замысловатые теории. В конце концов, мы научаемся связывать открытые явления друг с другом и даже предсказывать, что можно «увидеть» на ускорителях неимоверной энергии, которые войдут в строй через десяток лет.

Наши предки считали очевидным, что чем меньше объекты, тем проще они устроены. Но оказалось, все обстоит много интереснее. Спускаясь, словно по ступеням, в недра вещества, переходя ко все меньшим масштабам длины и времени, мы обнаруживаем, что в этих глубинах таятся разгадки раннего состояния Вселенной. Смотря, что происходит в системе, когда ее размеры крайне малы, когда плотность становится чрезвычайно большой, мы приближаемся к пониманию того, что было с веществом в состоянии, близком к Большому взрыву, в котором «родилась» наша Вселенная.

Сейчас для нас ясно: нельзя отделить развитие мегамира от свойств микромира. История Вселенной пишется на языке микромира. Астрофизики стали крупными специалистами в элементарных частицах, а теории элементарных частиц все чаще и чаще проверяются на моделях Вселенной. Этот процесс весьма поучителен, он исполнен огромной философской значимости. Демонстрация единства явлений, на первый взгляд, совсем далеких, противопоставленных друг другу, единства локальных и глобальных свойств, — яркий урок, преподнесенный нам природой, и о нем мы не должны забывать во всей многогранной нашей жизни.

Знания нельзя упорядочить, их нельзя уложить в единый ряд, сказав, что раньше, что позже или даже что проще, а что — сложнее. Наверное, одна из главных неудач нашей школы состоит в том, что учение в ней построено по локальному принципу, глобальный же взгляд на природу остается где-то за пределами и учебника и урока.

Урок второй, повествующий об истории Вселенной

…Немногим более тридцати лет назад было открыто так называемое реликтовое излучение, заполняющее Вселенную однородным образом. Удивительно, но существование такого излучения предсказали ранее теоретики. Оно дало непревзойденное по убедительности доказательство расширения Вселенной. Миллиарды лет назад Вселенная имела очень маленькие размеры и представляла собой очень горячий объект. Мы сейчас зайдем очень далеко, если задумаемся над вопросом, откуда возник такой комок вещества. По этому поводу было высказано множество разных смелых идей. Но, к сожалению, все они начинаются со слова «вдруг»: «вдруг возникла флюктуация…», «вдруг стала расширяться…» И теория пока находится в таком состоянии, что не столько отвечает на поставленный вопрос, сколько уходит от него, переносит его на более ранний этап. Нам пока достаточно думать, что Вселенная живет конечное время.

Правда, это утверждение побуждало многих философов-скептиков усматривать в нем нарушение глубочайших истин. Но наука никогда не связывала себя предвзятыми истинами. Ссылки на них обычно прикрывали беспомощность. Что значит, что Вселенная возникла 15 миллиардов лет назад? Это ведь не значит, что Земля обернулась вокруг Солнца 15 миллиардов раз, — Земля сама значительно моложе. Моложе Вселенной и Солнечная система и сама наша Галактика. Когда материя во Вселенной представляла собой горячий сгусток, то событиями в ней были не движения планет, а рождение и гибель частиц, позже — рождение ядер, а еще позже — и галактик.

Число событий в такой Вселенной измерялось не вращением Земли, а временами ядерных реакций, и число событий становится тем больше, чем ближе мы продвигаемся к началу отсчета времени. (Пусть читателя не смущает, что мы движемся навстречу времени!) И хотя время — по нашим часам — конечно, число событий (реакций, столкновений) все равно остается бесконечным. Никакому, даже бессмертному, летописцу не удастся написать исчерпывающую историю мира, ну, скажем, вплоть до 2014 года. Таким образом, что такое конечность и чем она отличается от бесконечности,— надо еще подумать…

Разбираясь в «династиях» Вселенной, двигаясь навстречу времени, мы должны подойти к той эпохе, когда не было ничего, кроме частиц, и когда все частицы были равноправны, быть может, как люди в первобытном обществе. Как возник этот мир, мы знаем довольно плохо. Но что происходило с этого момента, когда частицы не знали «рангов», и каким образом между ними возникли различия, как установилась иерархия, откуда пошли различные типы взаимодействий, — физики представляют себе достаточно хорошо. Однако, убедительно рассказывая обо всем этом, физики сами остаются неудовлетворенными. И вот почему.

Для того чтобы разобраться в этом бурном периоде истории Вселенной, надо от телескопов вернуться к ускорителям. Надо посмотреть, что еще мы можем обнаружить в поведении частиц. К сожалению, разрыв в энергиях представляется пока очень большим: даже построив самые большие ускорители (примерно 104—105 ГэВ), мы еще будем далеки от энергий, характерных для тех времен, когда рождались частицы (10 — 1016 ГэВ).

Однако и существующие ускорители преподнесли нам немало сюрпризов. Как путешественник в приключенческом романе с прихотливо развивающимся сюжетом, физик обнаруживал новые частицы, о которых никто не подозревал. Было спокойно жить, когда мы знали о нескольких частицах, знали, зачем они нам нужны, какую роль играют в природе, и думали, что так было и во все времена. Только мелкие детали мешали сказать, что картина микромира известна полностью. Урок, преподанный физикой, состоял в том, что маленькие детали приводят к большим следствиям. Если в наблюдениях что-то непонятно, даже чуть-чуть, то не следует думать, будто за этим «чуть-чуть» скрыто еще немножко работы. За ним подчас оказывается большой мир.

Трудно было понять, зачем в природе появились такие, скажем, частицы, как лямбда-гипероны, зачем понадобились несколько типов нейтрино. И вообще, физики вдруг обнаружили, что в механизме, который они считали почти известным, лишних деталей выявилось много больше, чем тех, чье назначение было понятным. Ответ оказался прост и неожидан: все эти детали нужны и, по-видимому, были «задействованы» в эволюции Вселенной. Это «архив», в котором содержится та история, которую человечеству еще предстоит расшифровать.

Урок третий, повествующий о теории и эксперименте

…Вас интересует, какие коррективы вносит наше время во взгляды на соотношение теории и эксперимента. Прежде всего, неизмеримо возросло могущество эксперимента. В начале прошлого ХХ века, открыв атомное ядро, физики «увидели» расстояния порядка 10 в – 14-той степени метра. Сейчас физика высоких энергий занимается расстояниями порядка 10 в – 18-той степени метра. Астрономы оценивали размеры Вселенной в 10 000 световых лет — примерно 10 в 20 степени метров. На сегодня открыты квазары на расстояниях в миллионы раз больших. Можно сказать, что на этих масштабах почти все сейчас понятно.

Но теория продвинулась дальше, и вопрос о критерии истинности наших знаний приобретает особую остроту. Конечно, опыты на ускорителях и астрофизические наблюдения помогают проверять этапы теории. Однако важная роль отводится сейчас непротиворечивости теории и объяснению численных величин входящих в нее мировых постоянных. Идея единой теории, которая объяснила бы, почему заряд электрона, постоянная Планка имеют те значения, которые нам известны, получает сейчас особую популярность. Однако задача слишком трудна, чтобы можно было ожидать ее близкого решения. Может быть, удастся сначала понять, откуда берутся массы всего многообразия элементарных частиц — какую природу имеет спектр их масс?

Решение этой ограниченной задачи будет величайшим успехом. Но пока создать даже такую теорию не удается. Какие-то неизвестные постоянные, изгоняемые из одной части теории, выскакивают в другой, и их «истребление» требует все больших усилий. Путь к истине, скорее всего, бесконечен, ибо по мере того, как мы больше будем узнавать о природе, мы станем предъявлять и больше требований к нашим знаниям о ней.

Пытаясь реконструировать историю Вселенной, физика и астрофизика погружаются в область, в которой мы мало что можем ожидать от опыта. Но положение небезнадежно. Теория становится настолько сложной, что возникает подозрение — если не сказать уверенность — в существовании только одного непротиворечивого объяснения рождения, устойчивости и эволюции мира. Может быть, критерием истины окажется отсутствие противоречий в теории (например, если в ней нет бессмысленных бесконечных выражений).

Есть важный опытный факт — то, что Вселенная существует. Нужно ли что-нибудь к этому добавлять, покажет будущее. Вселенная, с одной стороны, конечна, с другой — в ней происходит бесконечно много событий. Теория должна быть замкнутой, но при этом она оказывается столь сложной, что на ее постижение может уйти сколь угодно много времени.

Урок четвертый и последний – эстетический

…Есть еще один урок — урок эстетический. История сохранила много примеров того, как поисками ученых руководили критерии красоты, гармонии, симметрии. Но всякий раз, как об этом заходит разговор, он касается классических образцов. Однако исследования последнего времени подталкивают нас к новым интересным выводам. Изучение нелинейных классических и квантовых систем обнаруживает очень запутанный вид реальных пространственных траекторий и их образов в искусственно конструируемых учеными пространствах.

Эти траектории заполняют свои «территории» столь причудливым способом, что часто напоминают рисунки абстрактных художников. Когда мы встречаем такие рисунки в научной работе, нам все ясно: мы видим некий абстрактный текст и ищем ключ для его прочтения. Но ведь нечто подобное происходит и тогда, когда мы смотрим, скажем, на полотна Айвазовского, только там уже сталкиваемся с текстом, который считаем реалистическим, потому что заранее знаем ключ к нему.

Напрашивается вывод: наверно, и кажущаяся абстрактной картина (живопись, иероглифы, математика) также отражает реальный мир, если только знать нужный код. Информацию надо расшифровывать, а она содержится в паре — текст плюс код. Любые наблюдения становятся информацией только в паре с кодом. Так было в классической науке, так происходит и в неклассической, квантовой физике.

…Усложнились ли взаимодействия физиков друг с другом? Легче или труднее стало им понимать коллег? Здесь надо начать с вопроса о квалификации. Сейчас в физике есть два типа работ, два типа направлений исследований. Можно экспериментально изучать узкое явление, и в последние годы мы получили довольно много примеров того, как значительные открытия делались не потому, что человек знал, где они его ждут, а от естественного желания современного физика уточнить свои представления об этом явлении. Так было, например, с открытием сверхпроводимости. Очень характерно в этом отношении открытие квантового эффекта Холла, когда автор уточнял измерения и неожиданно обнаружил, что численные характеристики явления повторяются с весьма высокой точностью и что используя этот эффект можно создать очень хороший эталон электрического сопротивления.

Чтобы провести такой опыт, нужно быть хорошим специалистом. Но чтобы увидеть, что в этих результатах кроется неожиданность, понять, что она противоречит представлениям физиков на сегодняшний день или хотя бы ставит их под подозрение, короче, чтобы не пройти мимо, — требуется нечто большее, нужна большая физическая культура.

Поэтому крупные открытия все-таки делаются людьми, которые широко образованы, хорошо освоились в странном мире современной физики и способны заметить в своих экспериментах поначалу не очень большие расхождения с существующими понятиями. Простая регистрация событий приводит обычно к таблицам, а не к открытиям.

Число исследователей, хорошо изучающих явления, растет все время. А вот число людей, которые неожиданно вскрикивают от удивления и начинают копаться там, где до них никто не копался, остается не очень большим. Но именно такие люди двигают физику вперед. Остальные, помогая им, расширяют возможности эксперимента, но они только утверждают фундамент, предоставляя дальнейшее строительство тем, кто идет в авангарде…

…Вас, наверное, интересует усложнение языка, на котором говорят ученые, связанное со все более изощренным математическим аппаратом. Бывали времена, когда физик понимал математика, математик — физика. Но, скажем, в прошлом веке физикам казалось чрезвычайно сложным дифференциальное исчисление, особенно векторный анализ.

Конечно, и сейчас понимание физических теорий доступно немногим. Однако, к счастью, с наукой происходят удивительные вещи. Наука упрощается, ее изложение, когда теория «созревает», ведется совсем иным путем, нежели в периоды роста, развития. Прорываясь в новые области, люди часто оставляют математикам бремя доказательств. Однако выводы, полученные ими, порою развиваются без строгих построений. Исследователь учится рассуждать на новом языке, не задумываясь о доказательности. Все происходит так, как в обычной речи, — мы пользуемся законами логики и редко интересуемся, почему наши логические рассуждения претендуют на правильность.

История повторяется. И, я думаю, нынешние «языковые» проблемы не долго будут препятствием пониманию физики. Когда мы недавно следили за движением кометы Галлея и аппаратов, посланных к ней, то многие черпали информацию из газет, достоянием которых стали чертежи траекторий перелетов, и считали, что они вполне понятны. А так ли давно детали движения небесных тел казались абстрактными? …Но можно ли в таком случае говорить сегодня о том, что физика остается единой наукой?

Я считаю, этот вопрос столь же неправомочен, как и вопрос: а что с техникой? Это одна техника или много разных техник? Объединяет ли что-нибудь человека, создающего компьютер, с человеком, делающим автобус?

В науке всегда существует несколько уровней. Возьмем такой пример. Квантовая механика раньше считалась законодательницей в микромире, и она не появлялась в макроскопических явлениях. И вдруг оказалось, что она «вылезает» в лаборатории, где изучаются макроскопические свойства веществ. Мы знаем теперь, существуют объекты вполне макроскопические, но описываемые волновой функцией. А в самые последние годы в очень чистых веществах при низких температурах проявляются волновые свойства электронов — совсем так, как это известно по исследованиям свойств атома.

Получается, что упорядочивание науки и ее разветвление можно пытаться прослеживать по разным линиям. Если вы смотрите в каком-то одном направлении (скажем, выстраиваете объекты по размерам), то будете уходить все дальше и дальше от начала. Существует совсем другое, так сказать, поперечное движение, которое пронизывает все направления, пройденные на первом уровне, и, следуя которому, вы сможете обнаружить связи между ними.

Вот это взаимопроникновение наук — общей теории относительности в космологию, волновой механики в объяснение объемных свойств макроскопических проводников, использование теории относительности в конструировании ускорителей или в расчетах траекторий искусственных небесных тел — примеры, очень характерные для нашего времени. Поэтому можно образно сказать, что по некоторым дорожкам физика расходится так далеко, что люди, идущие по ним, уже давно не видят друг друга, но по другим направлениям расстояние между ними оказывается очень маленьким. И те, кто идет «поперек», обнаруживают необычайное сходство между вроде бы несвязанными явлениями, такое сходство, что эти явления почти тождественны с правильной точки зрения.

Если хотите, это тоже урок, но он практически повторяет предыдущие. Поэтому прервем наши «занятия» и продолжим их позже, когда физика преподаст нам, я не сомневаюсь, новые удивительные и содержательные уроки.

Автор: Я. А. Смогородинский.