Страница 4 из 33
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. …
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…
Часть 1
Механика
Силы и движение
1. Основы механики
Как мы видели, вся классическая физика представляет собой сочетание двух сил – силы тяготения и электромагнитной силы. Поэтому будет естественным для начала объяснить, что такое сила, и определить, как она влияет на движение тел. Для этого нам нужно заглянуть в историю и поинтересоваться механикой, сначала с Галилеем, затем с Ньютоном.
1. Относительность движения
Необходимость ориентиров для описания движения
Зададим риторический вопрос: что такое движение? Мы видим объекты, которые движутся по отношению к нам (машины, пешеходы…), мы сами перемещаемся по отношению к дороге, к тротуару… «По отношению к» – ключевые слова для описания движения.
Если мы сидим рядом со спящим пассажиром в поезде, он по отношению к нам не движется; однако он движется по отношению к пейзажу, пролетающему за окном. Таким образом, необходим ориентир, чтобы уточнить, по отношению к чему движется объект. В физике подобный ориентир называется системой отсчета, которая является важнейшим понятием.
В предыдущем примере спящий пассажир движется в системе отсчета луга, находящегося снаружи («он движется по отношению к лугу»), но в системе отсчета поезда он не движется («по отношению к поезду пассажир неподвижен»). Если наша цель изучить движение пассажира по отношению к поезду, то мы перемещаемся в систему отсчета поезда. Если наша цель – узнать, когда мы прибудем к месту назначения, необходимо рассмотреть нашу скорость во внешней системе отсчета, то есть луга или просто земной поверхности.
Необходимо запомнить, что выражение «в системе отсчета» является синонимом «по отношению к». По своей природе объект всегда неподвижен в собственной системе отчета: то есть поезд не движется по отношению к поезду.
Земная и геоцентрическая системы отсчета
В повседневной жизни нас чаще всего интересует движение по отношению к земле. Под словом «земля» имеется в виду «земная поверхность». Система отсчета земли, которая кажется нам такой неподвижной, называется «земной системой отсчета», и, по всей вероятности, она является самой главной из всех. Однако она не является абсолютной: Земля вращается вокруг собственной оси, а вместе с ней и ее поверхность… Таким образом, даже будучи неподвижным по отношению к земной поверхности, человек на экваторе преодолевает не менее 40 000 км (окружность Земли) в космосе за один день!
Система отсчета, в которой мы обладаем такой колоссальной скоростью, называется «геоцентрической системой отсчета» (центром является Земля). То есть в земной системе отсчета дом неподвижен, но в геоцентрической системе отсчета он вращается вместе с Землей.
Взгляните на ночное небо: в течение ночи звезды на небе перемещаются. Они движутся по отношению к нам, то есть в земной системе отсчета. Но каждый знает, что их движение связано с вращением Земли: в геоцентрической системе отсчета звезды остаются неподвижны, это мы под ними перемещаемся[2].
Две точки зрения абсолютно идентичны: в повседневной жизни мы наверняка предпочтем считать, что звезды движутся по небу, потому что с нашей точки зрения мы видим это движение (согласно земной системе отсчета). Но космонавт, прилетевший на Марс, увидит, как Земля вращается в космосе, в то время как звезды покажутся ему неподвижными: он предпочтет геоцентрическую систему отсчета.
Рис. 1.1 – Движение дома и сверхзвукового самолета
Перед нами дом в Австралии на Земле и сверхзвуковой самолет, который движется на запад. Через 6 часов самолет, который был на востоке Австралии, окажется на западе Австралии.
2
Технически это не так. Земля и звезды движутся относительно друг друга, просто медленно.