Для чого потрібна фізика та інші уроки фізики

… Ви питаєте, які зміни внесла фізика в уявлення сучасної людини? Чого навчили не тільки ті відкриття, свідками яких ми були самі, а й ті, що відбулися давно, але лише в наші дні отримали правильну оцінку? Я думаю, що тут можна відповісти запитанням на запитання: ну, а що дає людині сучасне мистецтво? Що воно – засіб проведення часу або щось більше, здатне помітно впливати на людську поведінку? Якщо задуматися над цими питаннями, то, бути може, тоді ясніше стане, що значить наука для людства…

Урок перший, який оповідає про те, для чого потрібна фізика

Говорячи дуже загальними словами, наука дає людині відчуття власної могутності, віру у власні можливості не тільки пізнати навколишній світ, а й поставити на службу сили невідомі досі або навіть ворожі. Але щоб відкрити нове, треба задавати природі правильно поставлені питання – питання, на які існує відповідь. А для цього потрібно опанувати мистецтво задавати питання.

Наприклад, з часів Ньютона філософи і фізики сперечалися, що таке світло – частинки або хвилі? А в XX столітті суперечка перекинулася і на електрон. У 1924 році де Бройль зародив сумнів: може бути, і електрон – в якомусь сенсі хвиля? У той час всякій, так сказати, розсудливій людині мало бути очевидно, що на це питання зобов’язана існувати відповідь, причому одна виключала іншу: або частка, або хвиля. Звичайно, було дуже непросто зрозуміти, що в такій постановці питання правомірне, як взагалі вельми важко відмовитися від звичних, повсякденних понять.

На рубежі століть багато людей думали, що фізика практично закінчена і людина пізнала все, що можна пізнати. Наука ж схожа на мандри Данте сферами раю: за кожною сферою пізнання відкривається нова; та ознаки завершення науки завжди служили провісниками нових її злетів. Так було і з приходом XX століття: стався перелом, настала ера нового знання. Були створені теорія відносності, квантова механіка, пізніше розвинулася наука про світло, що увінчалася квантовою електродинамікою, вивчення атомного ядра лягло в основу атомної енергетики, вивчення гідродинаміки, аеродинаміки послужило фундаментом в освоєнні космосу…

Ймовірно, це перший урок, який дала фізика, та й взагалі наука, – наше знання не статично, воно розвивається і кінця ми ніколи не побачимо; всяка розвинута картина дозволяє спростити те, що ми знаємо, і, з іншого боку, проникнути в більш тонкі, більш серйозні деталі.

Ось це безперервне прагнення вперед, розширення можливостей, непосидючість, – напевно, найяскравіші особливості, які свідчать про вплив науки на людину…

… Подивимося, що ж притаманне розвитку фізики останнього десятиліття. Мабуть, саме своєрідне – це зближення протилежностей. З давніх пір фізики, вірніше натуралісти, цікавилися двома об’єктами (якщо так скромно можна назвати цілі світи). Перший об’єкт – це весь Всесвіт, устрій все більших і більших його частин, зв’язок між ними. І, найголовніше, в наш час у Всесвіті з’явилася історія: ми стали дізнаватися, як все це живе, еволюціонує. Рухаючись по променю зору вглиб неба, ми бачимо все більш ранні стадії розвитку Всесвіту і в ідеалі зможемо прочитати його історію з того, що ми спостерігаємо на різних відстанях від нас.

В цьому укладено ще один урок: нічого або майже нічого не знищується. Якщо говорять, що рукописи не горять, то з ще більшою підставою можна сказати, що і історія не знищується: як кільця на зрізі дерева зберігають відомості про погоду, як вуглець-14 записує дату його загибелі, так і Всесвіт зберігає в собі свою біографію. У глибинах Всесвіту ми бачимо залишки Великого вибуху, ми бачимо як вибухають галактики, і дивовижні об’єкти – квазари, яскравість яких перевершує яскравість галактик. І все це вибудовується в ланцюжок послідовних подій, передаючи нам історію Всесвіту.

Другий «об’єкт», над яким здавна міркували натуралісти, – мікросвіт. З чого зроблено, з чого складається найближче наше оточення, а в кінцевому рахунку – і далекі зірки? Дуже довго атоми були, швидше, предметом вивчення філософії, ніяких експериментальних можливостей їх дослідження не існувало. Їх називали атомами, корпускулами, монадами, однак це були об’єкти без структури і без історії. Але прийшов кінець XIX – початок XX століття, і людина стрімко проникла в світ атомів, а пізніше – і в світ ядра. Тут, як і у Всесвіті, можна йти далеко вглиб, виявляючи все нові і нові об’єкти, що отримали дивні, може бути, навіть смішні імена: бозони, кварки, глюони і навіть віпи і зіпи – зовсім як у лісових гномів. Ця система виявилася дуже складною, але підпорядкована законам, в яких людство поступово розбирається.

Начебто тут не видно історії. Ми просто виявляємо все менші і менші частинки матерії, пізнаємо їх ціною великих і дорогих експериментів, розвиваючи дуже важкі і хитромудрі теорії. Зрештою, ми навчаємося пов’язувати відкриті явища один з одним і навіть передбачати, що можна «побачити» на прискорювачах неймовірною енергії, які увійдуть до ладу через десяток років.

Наші пращури вважали очевидним, що чим менше об’єкт, тим простіше він влаштований. Але виявилося, все йде значно цікавіше. Спускаючись, немов по щаблях, в надра речовини, переходячи до все менших масштабів довжини і часу, ми виявляємо, що в цих глибинах таяться розгадки раннього стану Всесвіту. Дивлячись, що відбувається в системі, коли її розміри вкрай малі, коли щільність стає надзвичайно великою, ми наближаємося до розуміння того, що було з речовиною в стані, близькому до Великого вибуху, в якому «народився» наш Всесвіт.

Зараз для нас зрозуміло: не можна відокремити розвиток Мегасвіту від властивостей мікросвіту. Історія Всесвіту пишеться мовою мікросвіту. Астрофізики стали великими фахівцями в елементарних частинках, а теорії елементарних частинок все частіше і частіше перевіряються на моделях Всесвіту. Цей процес дуже повчальний, він сповнений величезною філософською значущістю. Демонстрація єдності явищ, на перший погляд, зовсім далеких, протиставлення один одному, єдності локальних і глобальних властивостей, – яскравий урок, піднесений нам природою, і про нього ми не повинні забувати у всій багатогранності нашого життя.

Знання не можна впорядкувати, його не можна укласти в єдиний ряд, сказавши, що раніше, що пізніше або навіть що простіше, а що – складніше. Напевно, одна з головних невдач нашої школи полягає в тому, що вчення в ній побудовано по локальному принципу, глобальний же погляд на природу залишається десь за межами і підручника і уроку.

Урок другий, який розповідає про історію Всесвіту

… Трохи більше тридцяти років тому було відкрито так зване реліктове випромінювання, що заповнює Всесвіт однорідним чином. Дивно, але існування такого випромінювання передбачили раніше теоретики. Воно дало неперевершений по переконливості доказ розширення Всесвіту. Мільярди років тому Всесвіт мав дуже маленькі розміри і являв собою дуже гарячий об’єкт. Ми зараз зайдемо дуже далеко, якщо задумаємося над питанням, звідки виник такий клубок речовини. З цього приводу було висловлено безліч різних сміливих ідей. Але, на жаль, всі вони починаються зі слова «раптом»: «раптом виникла флуктуація…», «раптом стала розширюватися…» І теорія поки знаходиться в такому стані, що не стільки відповідає на поставлене запитання, скільки йде від нього, переносить його на більш ранній етап. Нам поки достатньо думати, що Всесвіт живе обмежений час.

Правда, це твердження спонукало багатьох філософів-скептиків вбачати в ньому порушення найглибших істин. Але наука ніколи не пов’язувала себе упередженими істинами. Посилання на них зазвичай прикривали безпорадність. Що означає, що Всесвіт виник 15 мільярдів років тому? Адже це не значить, що Земля обернулася навколо Сонця 15 мільярдів раз, – Земля сама значно молодше. Молодше Всесвіту і Сонячна система і сама наша Галактика. Коли матерія у Всесвіті представляла собою гарячий згусток, то подіями в ній були не рух планет, а народження і загибель частинок, пізніше – народження ядер, а ще пізніше – і галактик.

Число подій в такому Всесвіті вимірюється не обертанням Землі, а часом ядерних реакцій, і число подій стає тим більше, чим ближче ми просуваємося до початку відліку часу. (Нехай читача не бентежить, що ми рухаємося назустріч часу!) І хоча час – за нашими годинами – звичайно, число подій (реакцій, зіткнень) все одно залишається нескінченним. Ніякому, навіть безсмертному, літописцю не вдасться написати вичерпну історію всесвіту, ну, скажімо, аж до 2014 року. Таким чином, що таке конечність і чим вона відрізняється від нескінченності, – треба ще подумати…

Розбираючись в «династіях» Всесвіту, рухаючись назустріч часу, ми повинні підійти до тієї епохи, коли не було нічого, крім частинок, і коли всі частинки були рівноправні, бути може, як люди в первісному суспільстві. Як виник цей світ, ми знаємо досить погано. Але що відбувалося з цього моменту, коли частки не знали «рангів», і яким чином між ними виникли розбіжності, як встановилася ієрархія, звідки пішли різні типи взаємодій, – фізики уявляють собі досить добре. Однак, переконливо розповідаючи про все це, фізики самі залишаються незадоволеними. І ось чому.

Для того щоб розібратися в цьому бурхливому періоді історії Всесвіту, треба від телескопів повернутися до прискорювачів. Треба подивитися, що ще ми можемо виявити в поведінці частинок. На жаль, розрив в енергіях представляється поки дуже великим: навіть побудувавши найбільші прискорювачі (приблизно 104-105 ГеВ ), ми ще будемо далекі від енергій, характерних для тих часів, коли народжувалися частинки (10-1016 ГеВ).

Однак і існуючі прискорювачі піднесли нам чимало сюрпризів. Як мандрівник в пригодницькому романі з примхливо закрученим сюжетом, фізик виявляв нові частинки, про які ніхто не підозрював. Було спокійно жити, коли ми знали про декілька частинок, знали, навіщо вони нам потрібні, яку роль відіграють у природі, і думали, що так було і в усі часи. Тільки дрібні деталі заважали сказати, що картина мікросвіту відома повністю. Урок, викладений фізикою, полягав у тому, що маленькі деталі призводять до великих наслідків. Якщо у спостереженнях щось незрозуміло, навіть трохи, то не слід думати, ніби за цим «трохи» приховано ще трошки роботи. За ним часом виявляється великий світ.

Важко було зрозуміти, навіщо в природі з’явилися такі, скажімо, частки, як лямбда-гіперони, навіщо знадобилися кілька типів нейтрино. І взагалі, фізики раптом виявили, що в механізмі, який вони вважали майже відомим, зайвих деталей виявилося багато більше, ніж тих, чиє призначення було зрозумілим. Відповідь виявилася простою і несподіваною: всі ці деталі потрібні і, мабуть, були «задіяні» в еволюції Всесвіту. Це «архів», в якому міститься та історія, яку людству ще належить розшифрувати.

Урок третій, який оповідає про теорію та експеримент

… Вас цікавить, які корективи вносить наш час у погляди на співвідношення теорії і експерименту. Насамперед, незмірно зросла могутність експерименту. На початку минулого ХХ століття, відкривши атомне ядро, фізики «побачили» відстані порядку 10 в – 14-тій степені метра. Зараз фізика високих енергій займається відстанями порядку 10 в – 18-тій степені метра. Астрономи оцінювали розміри Всесвіту в 10 000 світлових років – приблизно 10 в 20 ступені метрів. На сьогодні відкриті квазари на відстанях в мільйони разів більших. Можна сказати, що на цих масштабах майже все зараз зрозуміло.

Але теорія просунулася далі, і питання про критерії істинності наших знань набуває особливої гостроти. Звичайно, досліди на прискорювачах і астрофізичні спостереження допомагають перевіряти етапи теорії. Однак важлива роль відводиться зараз несуперечності теорії та поясненню численних величин, що входять до. Ідея єдиної теорії, яка пояснила б, чому заряд електрона, постійна Планка мають ті значення, які нам відомі, отримує зараз особливу популярність. Однак завдання занадто важке, щоб можна було очікувати його близького рішення. Може бути, вдасться спочатку зрозуміти, звідки беруться маси всього різноманіття елементарних частинок – яку природу має спектр їх мас?

Вирішення цього обмеженого завдання буде найбільшим успіхом. Але поки створити навіть таку теорію не вдається. Якісь невідомі постійні, гнані з однієї частини теорії, вискакують в інший, і їх «винищення» вимагає все більших зусиль. Шлях до істини, швидше за все, нескінченний, бо в міру того, як ми більше будемо дізнаватися про природу, ми станемо пред’являти і більше вимог до наших знань про неї.

Намагаючись реконструювати історію Всесвіту, фізика і астрофізика занурюються в область, в якій ми мало що можемо очікувати від досліду. Але становище небезнадійно. Теорія стає настільки складною, що виникає підозра – якщо не сказати впевненість – в існуванні тільки одного несуперечливого пояснення народження, стійкості і еволюції світу. Може бути, критерієм істини виявиться відсутність протиріч в теорії (наприклад, якщо в ній немає безглуздих нескінченних виразів).

Є важливий досвідчений факт – те, що Всесвіт існує. Чи потрібно що-небудь до цього додавати, покаже майбутнє. Всесвіт, з одного боку, конечний, з іншого – в ньому відбувається нескінченно багато подій. Теорія повинна бути замкнутою, але при цьому вона виявляється настільки складною, що на її осягнення може піти як завгодно багато часу.

Урок четвертий і останній – естетичний

… Є ще один урок – урок естетичний. Історія зберегла багато прикладів того, як пошуками вчених керували критерії краси, гармонії, симетрії. Але всякий раз, як про це заходить розмова, вона стосується класичних зразків. Однак дослідження останнього часу підштовхують нас до нових цікавих висновків. Вивчення нелінійних класичних і квантових систем виявляє дуже заплутаний вид реальних просторових траєкторій та їх образів у штучно конструйованих вченими просторах.

Ці траєкторії заповнюють свої «території» настільки химерним способом, що часто нагадують малюнки абстрактних художників. Коли ми зустрічаємо такі малюнки в науковій роботі, нам все ясно: ми бачимо якийсь абстрактний текст і шукаємо ключ для його прочитання. Але ж щось подібне відбувається і тоді, коли ми дивимося, скажімо, на полотна Айвазовського, тільки там вже стикаємося з текстом, який вважаємо реалістичним, тому що заздалегідь знаємо ключ до нього.

Напрошується висновок: напевно, і удавана абстрактна картина (живопис, ієрогліфи, математика) також відображає реальний світ, якщо тільки знати потрібний код. Інформацію треба розшифровувати, а вона міститься в парі – текст плюс код. Будь-які спостереження стають інформацією лише в парі з кодом. Так було в класичній науці, так відбувається і в некласичній, квантовій фізиці.

… Чи ускладнилися взаємодії фізиків один з одним? Легше чи важче стало їм розуміти колег? Тут треба почати з питання про кваліфікацію. Зараз у фізиці є два типи робіт, два типи напрямів досліджень. Можна експериментально вивчати вузьке явище, і в останні роки ми отримали досить багато прикладів того, як значні відкриття робилися не тому, що людина знала, де вони її чекають, а від природного бажання сучасного фізика уточнити свої уявлення про це явище. Так було, наприклад, з відкриттям надпровідності. Дуже характерно в цьому відношенні відкриття квантового ефекту Холла, коли автор уточнював вимірювання і несподівано виявив, що чисельні характеристики явища повторюються з вельми високою точністю і що використовуючи цей ефект можна створити дуже хороший еталон електричного опору.

Щоб провести такий дослід, потрібно бути хорошим фахівцем. Але щоб побачити, що в цих результатах криється несподіванка, зрозуміти, що вона суперечить уявленням фізиків на сьогоднішній день або хоча б ставить їх під підозру, коротше, щоб не пройти повз, – потрібно щось більше, потрібна велика фізична культура.

Тому великі відкриття таки робляться людьми, які широко освічені, добре освоїлися в дивному світі сучасної фізики і здатні помітити в своїх експериментах спочатку не дуже великі розбіжності з існуючими поняттями. Проста реєстрація подій приводить звичайно до таблиць, а не до відкриттів.

Число дослідників, які добре вивчають явища, зростає весь час. А ось число людей, які несподівано скрикують від здивування і починають копатися там, де до них ніхто не копався, залишається не дуже великою. Але саме такі люди рухають фізику вперед. Решта, допомагаючи їм, розширюють можливості експерименту, але вони тільки стверджують фундамент, надаючи подальше будівництво тим, хто йде в авангарді…

… Вас, напевно, цікавить ускладнення мови, на якій говорять вчені, пов’язане з все більш витонченим математичним апаратом. Бували часи, коли фізик розумів математика, математик – фізика. Але, скажімо, в минулому столітті фізикам здавалося надзвичайно складним диференціальне числення, особливо векторний аналіз.

Звичайно, і зараз розуміння фізичних теорій доступно небагатьом. Однак, на щастя, з наукою відбуваються дивовижні речі. Наука спрощується, її виклад, коли теорія «дозріває», ведеться зовсім іншим шляхом, ніж у періоди зростання, розвитку. Прориваючись у нові області, люди часто залишають математикам тягар доказів. Однак висновки, отримані ними, часом розвиваються без строгих побудов. Дослідник вчиться міркувати на новій мові, не замислюючись про доказовість. Все відбувається так, як у звичайній мові, – ми користуємося законами логіки і рідко цікавимося, чому наші логічні міркування претендують на правильність.

Історія повторюється. І, я думаю, нинішні «мовні» проблеми не довго будуть перешкодою розумінню фізики. Коли ми нещодавно спостерігали за рухом комети Галлея і апаратів, посланих до неї, то багато черпали інформацію з газет, надбанням яких стали креслення траєкторій перельотів, і вважали, що вони цілком зрозумілі. А чи так давно деталі руху небесних тіл здавалися абстрактними?… Але чи можна в такому випадку говорити сьогодні про те, що фізика залишається єдиною наукою?

Я вважаю, це питання настільки ж неправомочним, як і питання: а що з технікою? Це одна техніка або багато різних технік? Об’єднує чи що-небудь людину, яка створює комп’ютер, з людиною, яка керує автобусом?

У науці завжди існує кілька рівнів. Візьмемо такий приклад. Квантова механіка раніше вважалася законодавицею в мікросвіті, і вона не з’являлася в макроскопічних явищах. І раптом виявилося, що вона «вилазить» у лабораторії, де вивчаються макроскопічні властивості речовин. Ми знаємо тепер, існують об’єкти цілком макроскопічні, але описувані хвильовою функцією. А в самі останні роки в дуже чистих речовинах при низьких температурах проявляються хвильові властивості електронів – зовсім так, як це відомо з досліджень властивостей атома.

Виходить, що упорядкування науки та її розгалуження можна намагатися простежувати по різних лініях. Якщо ви дивитеся в якомусь одному напрямку (скажімо, вишиковуєте об’єкти за розмірами), то будете йти все далі і далі від початку. Існує зовсім інший, так би мовити, поперечний рух, яке пронизує всі напрямки, пройдені на першому рівні, і, слідуючи якому, ви зможете виявити зв’язку між ними.

Ось це взаємопроникнення наук – загальної теорії відносності в космологію, хвильової механіки в пояснення об’ємних властивостей макроскопічних провідників, використання теорії відносності в конструюванні прискорювачів або в розрахунках траєкторій штучних небесних тіл – приклади, дуже характерні для нашого часу. Тому можна образно сказати, що за деякими доріжками фізика розходиться так далеко, що люди, які йдуть за ними, вже давно не бачать один одного, але за іншими напрямами відстань між ними виявляється дуже маленькою. І ті, хто йде «поперек», виявляють надзвичайну схожість між начебто непов’язаними явищами, така схожість, що ці явища майже тотожні з правильної точки зору.

Якщо хочете, це теж урок, але він практично повторює попередні. Тому перервемо наші «заняття» і продовжимо їх пізніше, коли фізика викладе нам, я не сумніваюся, нові дивовижні та змістовні уроки.

Автор: Я. А. Смогородинський.