Популярная физика

Эта книга состоит из трех частей и охватывает период истории физики от Древней Греции и до середины XX века. В последней части Азимов подробно освещает основное событие в XX столетии — открытие бесконечно малых частиц и волн, предлагает оригинальный взгляд на взаимодействие технического прогресса и общества в целом. Книга расширяет представления о науке, помогает понять и полюбить физику.

Предисловие переводчика

Загадочные формулы, таинственные знаки, сложные механизмы взаимодействия, объясняющие все — от зарождения нашей Вселенной до разрушения межатомных связей. Только мир физики охватывает столь широкий диапазон знаний, и именно это делает его таким привлекательным для изучения.

Известный популяризатор науки, ученый и писатель-фантаст Айзек Азимов в своей книге «Введение в физику» излагает основные концепции современной физики. Читателю предоставляется возможность проследить интереснейшую историю развития этой науки — историю вечного поиска законов и правил, которые управляют нашей планетой. Данный труд, состоящий из трех частей, охватывает огромный период в развитии физики от Древней Греции и до середины XX века. В первой части — «Движение, звук и теплота» — рассматривается теоретическое развитие и установление определенных концепций с ньютоновской точки зрения. Во второй части, «Свет, магнетизм и электричество», показано развитие этих концепций начиная с XIX века, когда физика положила начало научно-технической революции. Физика воистину была «интеллектуальным топливом» индустриализации. Здесь же автор знакомит читателя с теорией относительности Альберта Эйнштейна и квантовой теорией Макса Планка. В заключительной части — «Электрон, протон и нейтрон», — Азимов освещает основное событие в физике в XX столетии — открытие бесконечно малых частиц и волн, а также рассуждает о взаимодействии технического прогресса и общества в целом.

Книга написана простым, доступным языком и содержит необходимый минимум формул и уравнений. Однако, используя нестандартный подход ко многим проблемам, автор приводит собственные, а не классические доказательства некоторых законов, демонстрируя оригинальный взгляд на физические явления, поэтому не рекомендуется использовать этот труд в качестве учебного пособия. Автор также придерживается «английской» системы измерений, что не всегда является удобным для русского читателя. Но это ни в коей мере не умаляет ценностей данной книги — такого всеобъемлющего обзора современной физики для широкого круга читателей не создавал до Айзека Азимова никто.
 

От философии к физике

Ученые Древней Греции были первыми из известных нам, кто сделал попытку тщательного исследования Вселенной: они проводили систематический сбор знаний, получаемых посредством человеческого восприятия. Те, кто начал этот рационалистический поиск понимания без участия интуиции, вдохновения, озарений или других нерациональных источников информации, называли себя «философами» (это слово в греческом языке буквально означает «любители мудрости»)[ Несомненно, и ло греков встречались мудрецы, и даже рационалисты, но, к несчастью, они нам неизвестны. Кроме того, труды предгреческих рационалистов пропали даром, потому что лишь греческая культура смогла оставить за собой рационалистическую философию, послужившую основой для современной науки.].

По направлению изучения философия могла быть направлена вовнутрь — в поисках понимания человеческого поведения, этики и морали, побуждений и ответных реакций или наружу — на исследование Вселенной, находящейся вне осязаемой оболочки человеческого разума, короче говоря на исследование «природы».

Философы, относившиеся ко второму направлению, назывались «естественными философами». И в течение многих столетий после периода расцвета Греции изучение явлений природы продолжает называться естественной философией. Более современное слово, которое мы используем вместо него, — «наука» (происходит от латинского слова, означающего «чтобы знать»), стало широко распространенным только в середине XIX столетия. И даже в наши дни самая высокая университетская степень, присвоенная за достижения в области наук, называется «доктор философии».

Слово «естественный» (natural) имеет латинское происхождение, таким образом, термин «естественная философия» (natural philosophy), который состоит наполовину из латинского и наполовину из греческого, обычно подвергался нападкам «борцов за чистоту терминологии». Греческое слово, означающее «естественный», — hysikos. Таким образом, то, что мы привыкли называть современной наукой, более точно может быть описано термином «физическая философия».

Термин «физика» являлся просто краткой формой термина «физическая философия», или «естественная философия», и в его оригинальном значении включал в себя всю науку.

Однако поскольку области исследований науки расширялись и углублялись и объем собранной информации все возрастал, то те философы, которые охватывали более пространные области изучения, вынуждены были специализироваться, выбирая какой-то один сегмент в качестве точки приложения научных усилий. Эти сегменты получили свои собственные имена и со временем стали отделять себя от общего универсального домена физики.

Таким образом, изучение абстрактных взаимоотношений формы и чисел стало называться «математикой»; изучение положений и движения небесных тел— «астрономией»; изучение физических особенностей земли, на которой мы живем, — «геологией»; изучение состава и взаимодействия материалов —«химией»; изучение структуры, функций и взаимосвязи живущих на Земле организмов — «биологией» и так далее.

Термин «физика» в те времена стал использоваться для описания особенностей изучения тех частей природы, которые остались после отделения перечисленных выше наук. По этой причине слово «физика» должно было охватить довольно разнотипную и йеоднородную область изучения природы, и соответственно его четкое определение довольно сложно.

«Оставшееся» включает в себя такие явления, как движение, теплота, свет, звук, электричество и магнетизм. Все они являются формами «энергии» (термин, о котором я позже расскажу значительно больше). Таким образом, изучение физики может считаться прежде всего рассмотрением взаимосвязей между энергией и материей.

Данное определение может интерпретироваться или узко, или широко. Если интерпретировать его достаточно широко, то границы физики могут быть раздвинуты так, что эта наука будет включать в себя значительную часть из «соседних» с ней наук. Действительно, как показал опыт XX столетия, такое положение возникает достаточно часто.

В конце концов, разделение науки на отдельные «сегменты» — искусственное и сделано человеком в целях собственного удобства. В то время, когда уровень знания был еще довольно низок, такое разделение было полезным и казалось естественным. Можно было изучать астрономию или биологию независимо от химии или физики и, наоборот, изучать химию или физику изолированно от других наук. Со временем в связи с накопленной информацией границы различных частей науки сблизились, встретились и, наконец, пересеклись. Методы, используемые при изучении одной науки, стали применимы и более того — новаторскими в приложении к другим наукам.

В последней половине XIX столетия физические методы сделали возможным определить химический состав и физическую структуру звезд, что служило началом рождения новой науки — «астрофизики. Изучение колебаний, происходящих в толще земли и вызванных землетрясениями, дало начало «геофизике». Изучение химических реакций физическими методами открыло постоянно расширяемое поле «физической химии», а последняя, в свою очередь, проникла в изучение биологии, произведя на свет то, что мы теперь называем «молекулярная биология».

Что касается математики, которая была инструментом, который больше использовали физики (естественно, только вначале и по сравнению с химией и биологией), то по мере того, как поиск основополагающих принципов становился более тонким и основательным, стало практически невозможно уловить различия между «чистой математикой» и «теоретической физикой».

Однако в этой книге я буду рассматривать физику с точки зрения ее традиционной, узкой специализации, избегая (по возможности) тех ее областей, которые вторгаются на территории соседних наук.

Представление греков о движении

Одним из первых явлений, которое стали рассматривать любопытные греки, было движение. На первый взгляд можно предположить, что движение является признаком жизни; в конце концов, люди и, например, кошки свободно двигаются, а камни и неживые тела — нет. Можно придать камню движение, но обычно посредством импульса, данного ему живым существом.

Однако этот первоначальный взгляд — не верен, так как имеется много примеров движения, в которые жизнь не вовлечена. Движение небесных тел или порыв ветра происходят сами по себе. Конечно, можно было бы предположить, что небесные тела передвигаются ангелами и что ветер является дыханием бога штормов, и действительно, такие объяснения были общеприняты в большинстве обществ в течение многих столетий. Греческие философы, однако, принимали только те объяснения и вовлекали в них только ту часть Вселенной, которая могла бы быть объяснена на основе явлений, поддающихся определению человеческими чувствами. Это исключило и ангелов, и штормовых богов. Кроме того, имелись и менее глобальные примеры движения. Дым костра поднимался вверх. Камень, отпущенный в воздушном пространстве, быстро падал вниз, хотя он не получал никакого импульса в этом направлении. Конечно же даже наиболее мистически настроенный индивидуум не был готов предположить, что каждый клуб дыма, каждый кусочек падающего материала содержит маленького бога или демона, заставляющего его двигаться туда или сюда.

Греческие понятия по данному вопросу были обобщены в достаточно сложной форме философом Аристотелем (384—322 до н. э.). Он утверждал, что каждая из различных фундаментальных видов материи («элементов») имеет свое собственное естественное место во Вселенной. Элемент «земля», в который были включены все окружающие нас твердые материалы, естественно, был расположен в центре Вселенной. Вся материальная, «земляная», часть Вселенной собралась там и сформировала мир, в котором мы живем. В том случае, если бы каждая часть элемента «земля» расположилась так близко к центру, насколько это возможно, Земля должна была бы принять форму сферы (это в действительности было одной линией в рассуждениях, использованных Аристотелем, для доказательства того, что земля имеет сферическую форму, а не плоскую).

Элемент «вода» располагался естественным образом относительно поверхности сферы «земли», элемент «воздух» располагался естественным образом относительно поверхности сферы «воды», и элемент «огонь» располагался естественным образом вне поверхности сферы «воздуха».

Понятно, что можно вывести любую схему строения Вселенной, но в то же время понятно, что не имеет смысла тратить время на то, что ни в коей мере не подтверждается реальностью, то есть на то, что не находит подтверждения благодаря нашим органам чувств. В данном случае наблюдения на первый взгляд поддерживают аристотелевское представление о Вселенной. Наши чувства сообщают нам, что Земля действительно находится в центре Вселенной; водное покрытие в виде океанов и морей занимает большую часть Земли; воздух простирается относительно земли и моря и в воздушных просторах даже имеются свидетельства существования сферы огня, которая проявляет себя во время штормов и гроз в виде молнии.

Рассуждение Аристотеля о том, что каждая форма материи имеет свое естественное место во Вселенной, — типичный пример «аксиомы». Аксиому принимают без доказательств, некорректно говорить об истинности или ложности аксиомы только потому, что не доказано иное. (Если имелось бы доказательство иного, то это больше бы не было аксиомой.) Аксиомы лучше рассматривать с точки зрения их полезности или бесполезности в зависимости оттого, насколько выводы из них соотносятся с реальностью. Если две различные аксиомы или серии аксиом приводят к выводам, которые соответствуют действительности, то более полезна та, которая объясняет больше.

С другой стороны, кажется очевидным, что именно аксиомы являются наиболее слабыми точками в любом аргументированном споре, поскольку они должны быть приняты «на веру», в то время как основой философской науки является ее рационализм. Но ведь для того чтобы начать, нужу о .иметь «отправную точку», то есть аксиому. Мы должны постараться ограничить себя минимальным количеством аксиом, насколько это возможно. Поэтому из двух теорий, которые объясняют одни и те же области Вселенной, более правильной следует считать ту, которая основывается на меньшем количестве аксиом. Эту точку зрения высказал средневековый английский философ Уильям Оккам, и в честь его метод уменьшения ненужного количества аксиом назван «бритвой Оккама».

Аксиома о «естественном месте» казалась грекам весьма полезной. Предположив, что такое естественное место существует, казалось разумным предположить, что всякий раз, когда объект оказывается вне своего естественного места, он старается вернуться в него, как только представится случай. Например, камень, который мы держим в руке, в воздухе дает нам понять о своем «желании» вернуться на поверхность земли — свое естественное место — силой, которой он давит на нашу руку. Из этого можно сделать вывод, что он имеет вес. Если мы перестанем поддерживать камень рукой, то он быстро начнет перемешаться к своему естественному месту, то есть падать вниз. При помощи такого же рассуждения мы можем объяснять, почему языки огня стремятся вверх, почему галька падает сквозь воду на дно и почему воздушные пузыри поднимаются сквозь воду вверх.

Ту же аргументацию можно использовать, чтобы объяснить, почему идет дождь. Когда под действием тепла солнца вода испаряется («превращается в воздух, как сказали бы древние греки), пары быстро поднимаются вверх в поиске своего естественного места. Но как только те же пары снова преобразуются в жидкость, воду, последняя падает на землю в виде капель в поисках своего естественного места.

Из аксиомы о «естественном месте можно сделать и дальнейшие выводы. Как известно, одни объекты тяжелее других. Более тяжелый объект «толкает руку вниз с большим «рвением, чем это делает более легкий объект. Конечно же если освободить каждый из них, то более тяжелый объект выразит свое большее «рвение возвратиться на свое естественное место, падая быстрее, чем более легкий объект. Так что Аристотель поддерживал и это, действительно кажущееся естественным., заключение, потому что легкие объекты типа перьев, листьев и снежинок дрейфовали вниз медленно, в то время как камни или кирпичи падали быстро.

Но может ли эта теорий выстоять против искусственно созданных трудностей? Например, объект может быть вынужден покинуть свое естественное место, как в случае, когда мы бросаем камень в воздух. Первоначально движение камня вызвано мускульным импульсом, но, как только камень отделяется от руки, она больше не прикладывает импульс к нему. Почему же тогда камень сразу не возобновляет свое естественное движение и не падает на землю? Почему он продолжает подниматься в воздух?

Аристотель объяснял это тем, что данный импульс от камня был передан воздуху и что воздух как бы несет камень. Но поскольку импульс передается от точки к точке, в воздухе он слабеет, и начинает возобладать естественное движение камня. Восходящее движение камня замедляется и в конечном счете превращается в нисходящее движение, пока, наконец, камень не возвратится на свое естественное место — на землю. Сила руки или катапульты не может в конечном счете преодолеть естественное движение камня. (Как говорится: «Кто поднялся — упадет — «Whatevergoes up must come down».)

Из этого следует, что вынужденное движение (отрыв от естественного места) должно неизбежно уступить естественному движению (обратно к естественному месту) и что естественное движение в конечном счете приведет объект к его естественному месту. Оказавшись там, объект прекратит перемешаться, так как ему некуда больше двигаться. Поэтому состояние «покоя», или недостаток движения, является естественным состоянием любогообъекта.

Это также соотносится с наблюдением, что все брошенные объекты возвращаются на землю и останавливаются; вращение или скольжение объектов тоже останавливается и даже живые объекты не могут двигаться вечно. Если мы поднимаемся в гору, то делаем это с усилием, и, поскольку импульс в наших мускулах постепенно слабеет, мы вынуждены периодически отдыхать. Даже самые слабые движения требуют некоторого усилия, и импульс, находящийся в пределах каждого живого существа, в конечном счете бывает растрачен. Живой организм затухает и возвращается к естественному состоянию покоя. («Все люди смертны».)

Но как же быть с небесными телами? В отношении их позиция кажется весьма отличной от той, с которой мы рассматривали объекты на земле. Естественное движение небесных тел кажется круговым, в отличие от движения вверх-вниз земных тел, и они не кажутся приближающимися или удаляющимися от земли.

Аристотель мог только заключить, что небеса и небесные тела сделаны из материи, которая не была ни землей, ни водой, ни воздухом, ни огнем. Этот пятый «элемент» он назвал «эфир» (греческое слово, означающее «сверкание», ведь, как известно, небесные тела часто испускают свет).

Естественное место пятого элемента было вне сферы огня. Почему же тогда, несмотря на то что божественные тела находились в своем естественном месте, они не оставались в покое? Некоторые школяры в конце концов высказали предположение, что небесные тела двигаются под воздействием ангелов, которые катают их по небесам, но Аристотеля не могли удовлетворить такие легкие объяснения. Вместо этого он был вынужден ввести новую аксиому, предполагающую, что законы, управляющие движением небесных тел, отличаются от законов, управляющих движением земных тел. Если естественным состоянием земных тел является покой, то на небесах естественным состоянием является бесконечное круговое движение.