Читаем Страх физики онлайн бесплатно

Я очень разволновался, когда мои редакторы из Basic Books спросили, не заинтересован ли я в обновлении и переиздании «Страха физики». За пятнадцать лет, прошедших с момента выхода первого издания, в мире физики произошли огромные изменения, затронувшие даже некоторые из наших руководящих принципов. Кроме того, изменился и мой собственный взгляд на то, какие вопросы являются важными, особенно в отношении общественного интереса к науке, поскольку за эти годы я сам эволюционировал не только как учёный, но и как писатель.

В то же время, около десяти лет назад, читая серию лекций для школьных учителей физики, я с удивлением узнал, что моя книга стала чем-то вроде «культовой классики» в учебном процессе и её часто рекомендовали перспективным ученикам для ознакомления с состоянием дел в современной физике. Один клуб любителей физики даже прислал мне футболку с изображением сферического коня. Таким образом, несмотря на тот факт, что изначально книга рассчитывалась на людей, мало знакомых или вообще незнакомых с физикой, и преследовала цель развеять их страх перед этой наукой, она оказалась востребована значительно более широкой аудиторией. Я понял, что должен больше рассказать о том, что происходит сегодня на переднем рубеже науки, чтобы увлечь ею интересующихся физикой молодых людей.

С этими мыслями я переписал книгу от начала до конца, стараясь оставаться в рамках первоначальной структуры, но добавив новый материал. Я постарался сделать изложение более понятным для одних и более увлекательным для других, стремясь отразить меняющийся характер современной науки, которая уже пытается выглянуть за пределы нашей Вселенной. Я надеюсь, что вы испытаете от чтения этой книги не меньшее удовольствие, чем то, которое я получил от её обновления.

Лоуренс М. Краусс, Кливленд, Огайо, ноябрь 2006

Когда кто-то на вечеринке узнаёт, что я физик, он либо немедленно меняет тему разговора, либо начинает расспрашивать меня о Большом взрыве, других вселенных, сверхсветовых двигателях, кварках, сверхпроводниках, суперструнах или суперколлайдерах. Даже те, кто честно признавались в том, что не любили физику в школе и никогда об этом не жалели, часто слушали рассказы о мистических явлениях, происходящих на переднем крае науки, как заворожённые. Современная физика занимается решением многих космических проблем, о которых так или иначе размышляет любой человек. Однако часто физика представляется людям сложной, недоступной для понимания магией, открытой лишь посвящённым, поскольку многие исследования лежат в областях, страшно далёких от их житейского опыта.

Но существует и более серьёзное препятствие, мешающее многим понять, чем занимается современная физика. Физический подход к решению задач и используемый физиками язык не употребляются большинством людей в повседневной жизни. Для наблюдателей, лишённых присущего физикам особого взгляда на мир, разношёрстный зоопарк физических явлений выглядит непонятным, а зачастую и пугающим.

Для того чтобы представить читателю современную физику в моём понимании, я решил не сосредоточиваться на описании конкретных физических теорий, а рассказать об инструментах, используемых физиками в их работе. Если кто-то захочет оценить сегодняшнее состояние физической науки как с точки зрения интеллектуальной деятельности человека, так и с точки зрения её роли в формировании нашей современной картины мира, то это гораздо проще сделать, имея некоторый начальный багаж, дающий понимание того, как вся эта наука работает. Настоящая книга является не столько учебником по выживанию в джунглях, сколько руководством о том, что необходимо взять с собой в туристический поход, как обойти опасные скалы, где полюбоваться прекрасным видом и как безопасно вернуться домой.

Сами же физики способны продолжать современные исследования только потому, что они, главным образом, руководствуются теми же несколькими фундаментальными принципами, которые мы используем для изучения повседневной жизни. Физическая теория в настоящее время занимается явлениями, происходящими на пространственно-временных масштабах, различающихся более чем на шестьдесят порядков — это означает, что отношение размеров самых крупных изучаемых физиками объектов к самым мелким выражается числом, состоящим из единицы и 60 нулей. Экспериментальные исследования, правда, распространяются на несколько меньший диапазон масштабов. Тем не менее на фоне всего этого зоопарка описание любого явления, сделанное одним физиком, обычно понятно другому, потому что при этом используется не более дюжины основных понятий. Никакая другая область человеческого знания не является настолько обширной и одновременно настолько легко формализуемой.

Отчасти по этой причине моя книга такая тонкая. Инструменты, которыми пользуются физики, малочисленны, и хотя для освоения их в совершенстве необходима учёная степень, для того чтобы просто понять, как они работают, не нужен увесистый фолиант. В каждой из шести глав (разумеется, если вы купите эту книгу) вы найдёте обсуждение одной из ключевых идей, направляющих физиков в их научном поиске. Чтобы проиллюстрировать эти идеи, я подобрал примеры, в каждом из которых я, подобно музыканту, играющему гамму, поднимаюсь от основ до вершин. Подбор примеров может показаться эклектичным, но, концентрируясь в начале главы на том, где мы находимся, я стараюсь в конце привести читателя к пониманию того, куда мы идём.

Кроме того, по этой причине я взял на себя смелость представить наиболее современные концепции. Некоторые читатели с облегчением вздохнут, встретив знакомые идеи, хотя кому-то они могут показаться не вполне понятными. Некоторые из представленных концепций, являясь фундаментальными, в то же время никогда ранее не были представлены в популярной литературе. Но это не важно. Я не собираюсь тестировать на вас новые дидактические методики. Мне хотелось бы дать читателю ощутить скорее вкус физики, нежели её содержание. Я думаю, что для не-учёных понимание физики важнее, чем знание каких-то конкретных её приложений.

Самое главное, что в физике существуют замечательные связи между отдельными фрагментами картины мира, лежащие под поверхностью живописного полотна. Именно эти связи образуют ткань физики. Нет большей радости для учёного, чем обнаружить очередную такую связь и проверить её экспериментально. В конце концов это и делает физику наукой, и, если вы заинтересуетесь ею всерьёз, перед вами откроются поистине безграничные перспективы.

Наконец, я хочу подчеркнуть, что физика — это такая же творческая интеллектуальная деятельность человека, как искусство и музыка. Физика формирует наш культурный опыт. Не берусь судить, что из современного культурного наследия будет более всего востребовано грядущими поколениями, но уверен, что игнорирование культурного аспекта нашей научной традиции было бы серьёзной ошибкой. В конце концов именно наука формирует наше представление об окружающем мире и о нашем месте в нём. Научная безграмотность сегодня тождественна бескультурью. А главная добродетель культурной деятельности — будь то искусство, музыка, литература или науки — это обогащение нашей жизни. Через культуру мы испытываем радость, волнение, воспринимаем красоту, приобщаемся к тайнам мироздания. Единственное, что, на мой взгляд, действительно отличает науку от других вещей в этом списке, это более высокий уровень образования, необходимый для того, чтобы получать от неё удовольствие. Для большинства физиков главным личным оправданием их деятельности является именно получение удовольствия, радости от открытия новых закономерностей и ощущение красоты, проявляющейся в сочетании разнообразия явлений физического мира и простоты лежащих в его основании законов. Так что, с позволения Эрики Йонг[1], эта книга посвящена вопросу: способен ли обычный человек, преодолев предубеждения, получить истинное удовольствие от физики? Надеюсь, что да.

Однажды некий миллиардер пригласил биолога, математика и физика и дал им задание за год разработать методику определения победителя на скачках, пообещав за успешное решение задачи миллион долларов.

Первым принёс результаты своих изысканий биолог:

— Мне необходимо знать полную родословную лошади, успехи её родителей, рацион питания, перенесённые заболевания, и тогда я смогу точно назвать максимальную скорость, которую она способна развить на ипподроме.

Следующим пришёл математик:

— Имея точные статистические данные предыдущих забегов этих лошадей, я могу вычислить матожидание результата любого последующего.

Так и не дождавшись результатов физика, миллиардер решил позвонить ему сам.

— Задача пока далека от окончательного решения, — ответил физик, — мне необходимо ещё десять лет, пятьдесят миллионов долларов, команда аспирантов и экспериментальная лаборатория. Но я уже построил модель движения сферического коня в вакууме…

Этот бородатый анекдот если и не смешной, то прекрасно иллюстрирующий, как большинство физиков представляют себе — метафорически — картину мира. Набор инструментов, при помощи которых физикам приходится описывать природу, ограничен.

Большинство современных теорий, о которых вы, вероятно, читали, начинали свою жизнь в виде простых моделей, придуманных учёными, размышлявшими, как ещё можно решить стоящую перед ними задачу. Эти простые модели были основаны на ещё более простых моделях, которые, в свою очередь, базировались на ещё более простых, и так далее, поскольку количество классов уравнений, имеющих точное решение, можно сосчитать по пальцам одной, ну хорошо — двух рук. Большинство физиков следуют тому же правилу, которое позволяет голливудским продюсерам приумножать свои капиталы: эксплуатируйте это, пока оно работает, а потом сделайте ремейк и эксплуатируйте дальше.

Анекдот про сферического коня в вакууме мне нравится ещё и тем, что он отражает один очень важный императив работы учёного, которому обычно редко уделяется внимание в научно-популярной литературе: прежде чем начинать заниматься какой-то проблемой, необходимо абстрагироваться от всех несущественных деталей!

В приведённом императиве — два оператива: абстрагирование и удаление несущественных деталей. Отделение существенных деталей от несущественных является первым шагом в построении любой модели, и каждый из нас подсознательно занимается этим в обычной жизни с момента рождения. Учёные отличаются от обычных людей тем, что делают это сознательно. Преодоление естественного желания не отбрасывать несущественную информацию, вероятно, наиболее важный и сложный аспект изучения физики. К тому же то, что является несущественным в одной ситуации, может оказаться очень даже существенным в другой — всё зависит от того, что в данный момент интересует учёного. И это приводит нас ко второй составляющей императива: абстракции.

Из всех вариантов абстрактного мышления наиболее сложным в физике является выбор способа подступиться к проблеме. Даже для простого описания равномерного прямолинейного движения — первого крупного прорыва в физике — требуется настолько сильно абстрагироваться от повседневного житейского опыта, что многие великие мыслители прошлого не сумели прийти к этому, казалось бы, простому результату, впервые полученному только Галилеем. Но об этом я расскажу позже, а сейчас вернёмся к нашим коням.

Представьте себе, что это конь:

Теперь представьте себе суперконя, во всём идентичного обычному коню, но имеющего вдвое больший диаметр:

Чем отличаются эти кони? Можем ли мы сказать, что суперконь вдвое больше обычного коня? Суперконь имеет вдвое больший диаметр, значит ли это, что он сам вдвое больше? Например, во сколько раз вес суперконя превосходит вес обычного коня? Если оба коня сделаны из одного и того же материала, то логично предположить, что их вес будет пропорционален количеству материала, пошедшему на их изготовление. А количество материала пропорционально объёму коня. Для тел сложной формы определить объём зачастую затруднительно, но для сферы это простая школьная задача. Возможно, вы ещё не забыли формулу объёма шара: V = (4π/3)r³. Но мы не знаем точного значения объёма каждого из коней, мы можем вычислить только их отношение. Объём обычно измеряется в кубических метрах, кубических сантиметрах, кубических километрах, даже в кубических футах или дюймах — для нас не так важны сами единицы измерения, как то, что они — кубические. Это означает, что объём пропорционален кубу линейного размера. Если диаметр шара увеличить в 2 раза, его объём увеличится в 2×2×2 = 8 раз. Значит, суперконь должен весить в 8 раз больше, чем обычный конь. А что, если мы захотим сшить для коня пальто? Насколько больше материала потребуется на пальто для суперконя, чем на пальто для обычного коня? Количество материала должно быть пропорционально площади поверхности коня. Если диаметр коня увеличивается в 2 раза, то площадь, измеряемая в квадратных метрах, километрах, сантиметрах, футах, дюймах, — увеличится пропорционально квадрату линейного размера, то есть в 2×2 = 4 раза.

Итак, конь, размер которого в 2 раза больше, имеет в 8 раз больший вес и в 4 раза большую площадь шкуры, которая удерживает вместе все его внутренности. Получается, что шкура коня, который имеет вдвое больший размер, испытывает вдвое большее давление со стороны внутренних органов. Значит, если мы будем увеличивать размер нашего сферического коня, то в какой-то момент прочность шкуры окажется недостаточной, чтобы удерживать увеличивающийся вес внутренних органов, и коня разорвёт. Мы только что получили очень важный результат: предел размера коня определяется не искусством селекционера и не биологическими законами, а законами физики.