Vincent Boqueho

TOUTE LA PHYSIQUE À PORTÉE DE MAIN

Посвящается моему отцу

Предисловие

Цель этой книги – представить законы природы в их совокупности и с их помощью объяснить бóльшую часть явлений окружающего мира. Мы рассматриваем вопросы от самых наивных (почему мы не проваливаемся сквозь землю) до самых сложных (почему, для того чтобы освещать и согревать нас, Солнцу достаточно водорода), раскрываем суть природных явлений (почему небо и море синие), рассказываем и о творениях самого человечества (к примеру, как создается электричество и как благодаря ему работают транзисторы наших компьютеров).

Изучив эти явления во всех подробностях, мы убедимся, что в их основе – одни и те же фундаментальные причины и один и то же закон может дать ответ на все перечисленные вопросы. Когда мы задумаемся о том, что лежит в основе всех этих явлений, природа, словно по волшебству, внезапно предстанет перед нами единым целым.

Нам хотелось показать вам эти почти невидимые связи, ставшие предметом исследования разных физических дисциплин, границы которых весьма условны: механики, термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, квантовой физики и теории относительности…

Мы сами поставили перед собой, казалось бы, утопическую задачу – выстроить большинство окружающих нас явлений в единую линию, чтобы понятно их описать. К концу книги эта линия будет вычерчена, и в заключении мы подведем итоги нашего пути.

Постоянное обращение к первопричинам явлений требует, чтобы мы использовали прежде всего физические, а не математические термины. Математика необходима физике, чтобы наглядно продемонстрировать результат, но она порой заставляет забыть о реальном мире, который должна описывать. Конечно, всегда можно отложить карандаш и вспомнить о первоначальных физических причинах, из которых вытекает этот самый полученный результат. Однако все возможно объяснить и без математики, хотя этим порой пренебрегают…

Таким образом, основным правилом этой книги будет следующее: объяснять все процессы, происходящие в окружающем мире, вплоть до самых сложных, без использования математики. То есть мы будем придерживаться элементарных математических понятий, которые, как мы полагаем, знакомы читателю: речь идет о простых математических действиях (сложение, умножение, возведение в степень, извлечение корня…). Мы также используем понятие вектора, но только для наглядного изображения в схемах: никаких специальных знаний для этого не потребуется. Таких понятий, как производная, мы будем старательно избегать.

Таким образом, рассуждения в этой книге призваны не просто продемонстрировать, а объяснить «на пальцах» глубинные причины физических явлений. Наша цель – показать, что таким простым способом можно понять действующие механизмы, не прибегая к сложным математическим вычислениям.

Рассуждения о физических процессах в некоторых областях довольно сложны и требуют сосредоточенности. Для того чтобы это не задерживало чтение книги, самые сложные умозаключения мы вынесли в рамки (со значком ): только там мы позволим себе использовать математику в самой элементарной форме. Тем более что для читателей с математическим складом ума простое уравнение будет яснее и понятнее, чем длинные рассуждения… В других рамках (со значком ) поясняются конкретные вопросы, приводятся исторические факты и известные применения описанного закона.

Читатель может не обращать внимания на эти вставки, чтобы не терять нить повествования: нужно будет принять некоторые выводы, но это не помешает понять физические процессы, описанные в следующих главах.

Так ли необходимо прочесть все от начала и до конца? Разумеется, эта книга логически структурирована и интереснее будет следовать за нитью Ариадны. Однако если читатель уже обладает какими-то познаниями в физике, он может сразу перейти к главе, которая его интересует.

Кому же в итоге предназначена эта книга? Здесь представлен обзор большинства физических понятий, начиная со школьной программы (электричество, механика) до третьего курса университета (квантовая физика, теория относительности, ядерная физика). В то же время все разделы начинаются с азов, и чтение не требует специальной предварительной подготовки.

Так что эта книга заинтересует и студента, и школьника старших классов, которым захочется закрепить полученные знания с помощью более общего и менее вычислительного взгляда на физику. Но она также пригодится каждому любознательному человеку, желающему понять суть и истоки повседневных явлений природы.

Обнаружить волшебное единство Вселенной за ее внешним разнообразием – ни с чем не сравнимое удовольствие. Мы надеемся, что эта книга сумеет пробудить в читателе стремление одним взглядом охватить ВСЁ…

Пролог: введение в физику

1. К какому виду принадлежит физик?

Что такое физика

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

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.

Пределы физики

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», 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…

Венсан Бокео Физика на ладони. Об устройстве Вселенной – просто и понятно