2. Немного об истории наук
Наследие греков
Научный подход не свойствен нам с рождения: древнейшие цивилизации мира – Египет и Месопотамия – не были с ним знакомы, несмотря на свои знания. Люди ограничивались наблюдением за природой и непосредственным использованием результатов своих наблюдений. Например, египтяне видели, что ежегодные разливы Нила делают землю плодородной, но не стремились понять их причину, приписывая все божественному вмешательству.
Именно греки в VII в. до н. э. первыми объединили пристальное наблюдение с желанием понять и создать теорию. Большое преимущество хорошо выстроенной теории – в том, что она открывает новые сферы ее применения без очевидной связи с первоначальными наблюдениями. «Изобретая» научный подход, греки закладывают основу науки, в десять раз увеличивающей возможности инноваций, – физики. В эпоху Возрождения Европа сумеет извлечь из этого пользу…
Греки больше известны как математики (Фалес, Пифагор, Евклид) или как философы (Сократ, Платон, Аристотель), а не физики. Однако в ту эпоху великие мыслители были немного и теми, и другими, и третьими.
Так, в III в. до н. э. Эратосфен не только знал, что Земля круглая, но и с большой точностью вычислил ее окружность (40 000 км) примитивным, но вполне адекватным способом. Если бы спустя 1700 лет Христофор Колумб принял изыскания Эратосфена всерьез, он вряд ли отправился бы на поиски Индии на Запад, полагая, что размеры Земли гораздо меньше. Что уж говорить о некоторых мыслителях Средневековья, считавших, что Земля плоская…
Однако самым знаменитым греческим ученым-физиком остается Архимед (III в. до н. э.) с его открытием соотношения между объемом вытесненной жидкости и погруженного в нее тела.
По прошествии этого благоприятного периода римляне используют накопленные знания, однако сами научных талантов не проявляют. Затем, когда Европа погружается в Средневековье, эстафету принимают арабы, но важных открытий в физике не делают. К этому времени китайцы уже используют компас и пушечный порох, но также не стремятся постичь принцип их действия: как до них египтяне и шумеры, они являются скорее наблюдателями, нежели теоретиками. Позднее европейцы сумеют перенять их открытия, найдя им более выгодное применение…
Создание классической физики
В XVI в. Европа пробуждается: изгнав арабов из Испании, европейцы сумели воспользоваться их знаниями, унаследованными от греков, а изобретение книгопечатания способствовало их распространению среди ученых: наступила эпоха Николая Коперника.
ГРЕКИ – ГЕНИАЛЬНЫЕ ФИЗИКИ?
Великие адепты сложных философских и математических рассуждений, греки порой пренебрегали опытами для подтверждения своих теорий…
Так, за пять веков до н. э. Пифагор считал, что Земля круглая, однако основывал свою теорию на непогрешимом совершенстве окружности (число π – отношение длины окружности к ее диаметру – абсолютно греческое). И только позднее эта гипотеза будет (к счастью!) подтверждена наблюдениями.
Еще один пример: Аристотель в IV в. до н. э. вследствие несколько поспешных утверждений полагал, что человек, находящийся в транспортном средстве, движущемся со скоростью 50 км/ч, будет в буквальном смысле пригвожден к стенке. К счастью, полеты на современных авиалайнерах со скоростью 900 км/ч эту теорию не подтверждают!
Даже если греки часто ошибались, выстраивая физические теории, все-таки они сделали значительный шаг вперед. Не будем забывать, что они добились в этом больших успехов.
И все же настоящий научный подход в Европе начали использовать не раньше 1600 г. Галилей, один из крупнейших физиков эпохи Возрождения, открывает множество физических законов, которые впоследствии уточнит и сформулирует Исаак Ньютон. Первейшая задача теперь – понять природу движения тел, что приводит к возникновению отдельной дисциплины – механики.
В этот же период Рене Декарт изучает свойства света, закладывая основы оптики; но он считает, что свет состоит из маленьких подвижных шариков, а значит, относится к сфере механики.
Следующее столетие проходит довольно спокойно. Антуан Лавуазье порывает с традиционной алхимией, наполовину смешанной с эзотерикой, в пользу истинно научной дисциплины – химии.
Настоящая научная революция происходит на рубеже XIX в.: именно в это время, на протяжении столетия окончательно оформилась почти вся классическая физика. Научные открытия сопровождаются появлением новых технологий: стремительное развитие физики вызывает промышленную революцию, последствия которой мы наблюдаем и сегодня.
В конце XVIII в. изобретена паровая машина: дисциплина, связывающая механику и термические процессы, называется термодинамикой. В последующие годы она станет основой множества других инноваций.
В это же время на первый план выходит существование некой странной силы – электромагнитной; она становится предметом пристального исследования. С ее изучением связаны имена таких ученых, как Шарль де Кулон, Андре-Мари Ампер, Карл Фридрих Гаусс и Никола Тесла. Джеймс Клерк Максвелл завершает их работу, сформулировав важное синтетическое понятие электромагнетизма.
Электричество, без которого сегодня невозможно обойтись, является одним из примеров его применения. Другая чрезвычайно важная область использования этого явления – изучение света и других излучений, таких как радиоволны и рентгеновские лучи. Внезапно становится очевидным, что информация и энергия могут почти мгновенно перемещаться из одного уголка земного шара в другой с помощью проводов (электричество) или без них (излучение).
В конце XIX в. физика перевернула мир и заняла свое место на пьедестале.
Прорыв в современной физике
На заре ХХ в. все как будто на своих местах. Природа кажется окончательно прирученной. Однако, с одной стороны, законы электромагнетизма содержат в себе противоречия, с другой стороны, некоторые оптические эксперименты не находят объяснения.
Именно тогда на сцене появляется молодой физик Альберт Эйнштейн: приняв за основу утверждение, что время не для всех течет одинаково, он выдвигает теорию, которая ставит все на свои места: теорию относительности. Наконец-то преодолены все теоретические противоречия физики, волнения ХIХ в. улеглись, отныне физика предстает единым целым и представляет собой совокупность двух основополагающих взаимодействий: гравитации и электромагнетизма.
ЭЙНШТЕЙН, ОДИНОКИЙ ГЕНИЙ?
Альберт Эйнштейн иногда представляется одиноким гением, столь велика была сила его ума. На самом же деле его специальная теория относительности (содержащая знаменитую формулу Е = mc²), выведенная в 1905 г., логически вполне соответствовала духу времени. Анри Пуанкаре и за ним Хендрик А. Лоренц уже заложили основу новой теории, а Эйнштейн лишь сформулировал ее. Его заслуга в том, что он признал то, что отказывались признать другие: время и пространство понятия относительные.
В последующей общей теории относительности Эйнштейн подтвердил свою гениальность, изменив традиционный взгляд на силу тяготения. И все же Эйнштейн целиком и полностью остается представителем классической физики: более того, именно он венчает собой дисциплину, основы которой заложил Галилей.
Что же касается квантовой физики, Эйнштейн остается одним из главных ее создателей в том же 1905 г. (для физики это год чудес!). Однако в дальнейшем он будет считать ее странной и неустойчивой.
ПЛАНК: У МОЕЙ ПОСТОЯННОЙ НЕТ БУДУЩЕГО
Квантовая физика определяет, что каждая частица находится в нескольких местах одновременно, но обретает конкретные координаты, как только становится объектом наблюдения…
Вначале создатели этой теории не слишком ей доверяли: так, Макс Планк считал, что просто «затыкает дыры» до тех пор, пока реальное положение вещей не будет понято до конца.
И все же постоянная Планка действительна до сих пор и является одной из фундаментальных констант наряду со скоростью света Эйнштейна. Сегодня, несмотря на свою парадоксальность, квантовая физика прочно обосновалась среди других наук, ибо только она подтверждается экспериментом, а физику никогда нельзя забывать, что природа всегда права…
Таким образом, квантовая физика завершает полтора столетия напряженных исследований. После 1925 г. развитие физики в основном состоит в открытии новых частиц и формулировании двух новых сил, действующих на уровне атомного ядра: слабого и сильного взаимодействия.
Теория, призванная связать воедино все новые открытия, дабы создать из них логичную систему, называется стандартной моделью. И все же она ограничивается применением квантовых законов начала ХХ в. к недавно открытым частицам, объединяя в себе две новые фундаментальные силы. Стандартная модель была оформлена в 1973 г. и до сегодняшнего дня не подвергалась сомнению.
Но природа жестока; когда физики радуются проделанной работе, она поворачивается к ним спиной. В 1900-е гг. результаты некоторых опытов выявляют серьезные затруднения. Даже свет обнаруживает странные и парадоксальные свойства, представая то в виде шариков Декарта, то в виде волн Максвелла. Что еще более странно, сама материя начинает проявлять ту же корпускулярно-волновую двойственность. Короче говоря, вся устойчивая система рушится, по крайней мере на микроскопическом уровне.
И вот Макс Планк, сам того не подозревая, закладывает первый камень совершенно новой дисциплины, которой суждено разрешить все эти парадоксы, – квантовой физики. Чтобы понять и теоретизировать алогичные процессы, происходящие на микроскопическом уровне, требуются усилия множества ученых: кроме Макса Планка Альберт Эйнштейн, Луи де Бройль, Нильс Бор, Эрвин Шрёдингер, Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули и многие другие внесли свой вклад в общее дело.
С 1925 г. квантовая физика занимает свое место среди научных дисциплин. Несмотря на всю свою странность и парадоксальность, она соответствует критериям хорошей теории: с помощью ограниченного числа обоснованных постулатов она с величайшей точностью объяснила все наблюдения, сделанные до сих пор. Более того, сопоставление результатов релятивистской и квантовой теории позволило понять природу радиоактивности и бурных процессов, происходящих в атомном ядре: подчиненная человеку ядерная физика получила возможность продемонстрировать свою мощь в 1945 г. …
Исследования в современной физике
Тем не менее в этом мире остается еще много процессов, которые нам предстоит понять хотя бы на уровне нашего измерения. Возьмем пример: магнитное поле Земли сильно менялось в прошлом, и всегда очень по-разному. До сих пор остаются малопонятными механизмы, управляющие этим феноменом, и мы не можем предсказать будущую эволюцию магнитного поля даже на ближайшие сто лет. Однако эти изменения наверняка сыграли свою роль в развитии жизни на Земле…
Это пример вопроса, который и по сей день остается без ответа. Очевидно, что достаточно знания фундаментальных законов, чтобы понять все эти процессы, однако явления эти столь сложны, что обнаружить управляющие ими механизмы чрезвычайно трудно.
Таким образом, следует различать две дисциплины: фундаментальную физику, которая изучает законы, управляющие Вселенной, чья структура оформилась в конце XIX – начале ХХ в., и прикладную физику, которая пытается понять сложные механизмы на основе законов, имеющихся в ее распоряжении.
Этим объясняется то, что смена технологических инноваций происходит безудержным темпом; их подавляющее большинство основано на физических законах, выведенных в начале XIX в. Это рождает иллюзию того, что развитие физики происходит непрерывно.
Разумеется, не исключено, что однажды будут открыты новые законы, которые создадут другие ветви физической науки. Они наверняка будут связаны с микромиром или с областью высоких энергий, и, возможно, это откроет новые области их применения, в том числе и в повседневной жизни.
Кроме того, остается выяснить, почему фундаментальные константы имеют такую величину, а не другую, почему новые частицы имеют такую массу и такой заряд – значения, которые нам представляются спорными. Так, стандартная модель базируется на двадцати девяти чисто экспериментальных параметрах. Для «унитарной» вселенской теории это довольно много, и вполне вероятно, что однажды появится новая теория, количество параметров которой будет меньше.
Наконец, общая теория относительности и квантовая физика несовместимы в сферах (весьма загадочных!), где огромная масса сосредоточена в очень маленьких объемах (черные дыры, Большой взрыв…). Сегодня происходит построение теорий, которым предстоит дать ответы на эти вопросы. Среди прочих стоит упомянуть теорию струн как наиболее предпочтительную.
Вне всяких сомнений, у фундаментальных физических исследований впереди еще большое прекрасное будущее…
