Как рождаются
физические теории

DjVu

      Вступление
      Вот перед глыбой камня стоит человек и смотрит на нее с удивлением и любопытством. Вдруг он видит каким-то внутренним взором — интуицией,— что в глубине камня скрыта необычайная форма, величественная фигура, нужно только освободить ее, выпустить на волю. И человек берет в руки молоток и резец; он рубит камень, обтачивает, полирует его — он овладевает мастерством. Но и секретов ремесла человеку мало: он даст камню название «мрамор» — «сияющий камень»,— он должен постичь его природу, узнать каждый кристалл, чтобы подчинить глыбу своей воле. Чтобы из белого мрамора возникло чудесное создание, красивое и мудрое, чтобы люди замирали в восторге, глядя на него, мастерство и вдохновение должны слиться в творчество.
      Вот стоит человек перед огромным миром. Он слышит плеск волн, шум ветра, видит сияющее Солнце, далекие звезды, чувствует движение Земли, и интуиция подсказывает ему, что все должно быть связано в природе, что красота окружающего имеет высокий и таинственный смысл... Разгадать загадки Вселенной, познать непознанное призвано научное творчество.
      За это природа дарит ему великое благо — знание, и оно служит человеку, облегчая его труд на Земле, открывая путь в космос.
      Развитие науки имеет свои законы. Из наблюдения окружающего рождается предположение о природе и связях процессов и явлений; из фактов и правдоподобных предположений строится теория; теория проверяется экспериментом и, подтвердившись, продолжает развиваться, снова проверяется бесчисленное множество раз... Такой ход развития и составляет научный метод; он позволяет отличить заблуждение от научной истины, проверить предположение, избежать ошибок.
      Мы оставим в стороне экспериментальную физику, которая требует отдельного разговора, только иногда будем напоминать: эксперимент — верховный судья истины. Вы узнаете о том, как создаются, проверяются и развиваются физические теории, о том, что остается за пределами ваших школьных учебников, что не успевают рассказать вам ваши учителя.
      У физики своя форма приложения общего научного метода, свои принципы познания. Они позволяют увидеть стройный мир симметрий, начинающийся с простейшей геометрической правильности и простирающийся до свойств элементарных частиц. Принципы симметрии лежат в основе самых сложных, самых современных физических теорий, более того — в основе законов природы. Главное направление современной физики — поиски симметрии и единства законов природы.
      Мы с вами постараемся понять суть тех удивительных событий, которые произошли в физике XX в., когда была создана квантовая теория, позволившая открыть законы, управляющие микрообъектами; теория относительности, давшая новое представление о пространстве и времени... Когда эти теории объединились, они привели к открытию целого мира элементарных частиц, к разгадке тайн далеких звезд, к познанию истории Вселенной.
      Хотелось бы, чтобы книга помогла вам узнать физику настолько, чтобы решить, хотите ли вы посвятить ей свою жизнь.
      Итак, пусть любопытство заставит вас сделать усилие, необходимое для понимания, и «вперед, без страха и сомненья»!
      Наблюдение — теория — эксперимент...
      Великий немецкий поэт, философ, естествоиспытатель Иоганн Вольфганг Гёте сказал: «Всякое созерцание переходит в наблюдение, всякое наблюдение — в соображение, всякое соображение в установление важной связи, и можно сказать, что всякий раз, когда мы внимательно вглядываемся в мир, мы создаем теорию». Но теоретические построения оставались бы просто забавой мудрецов, если бы не существовало надежного испытания — эксперимента. Только подтвердившись экспериментом, теория обретает истинную жизнь, дарит людям новое открытие, предсказывает открытия будущие...
      Наблюдение — теория — эксперимент — и снова все сначала — такова бесконечная, уходящая ввысь спираль, по которой движутся люди в поисках истины. Так решает свои задачи физика.
      Профессия начинается с понимания круга проблем своей науки, с овладения навыками, секретами ремесла.
      Путь познания. Старые легенды рассказывают, как люди и даже боги не могут сойтись в мнениях об увиденном. В смешной английской песенке про трех смелых звероловов поется: «Смотрите, это месяц,— зевнув, сказал один. Другой сказал: — Тарелка!— А третий крикнул: — Блин!»
      Песенки и сказки рассказывают не просто о курьезном недоразумении — вопрос о том, как может и может ли вообще человек, полагаясь лишь на свои ощущения, составить представление об окружающем, был одним из главных вопросов философии с древнейших времен. Доведенные до отчаяния мудрецы, наконец, стали отказываться от попыток узнать
      что-либо, заявляя, что ничего нельзя утверждать, даже того, что снег белый, а я говорю, что он черный, и никто не сможет это опровергнуть; ничего нельзя понять, «нет ничего истинного, что не могло бы оказаться ложным». Унылая философия скептиков оказалась настолько живучей, что даже в XVII в. ее пришлось осмеивать великому французскому драматургу Мольеру. В его комедии «Брак поневоле» философ Марфуриус говорит: «Наша философия учит не высказывать ни о чем решительных суждений, обо всем говорить неуверенно, все оставлять под сомнением, под вопросом — вот почему вы должны сказать не «я пришел», а «мне кажется, будто я пришел». Здравомыслящий Сганарель удивлен: «Выходит, что меня здесь нет и вы со мной не говорите?» «Мне представляется, что вы здесь,— отвечает Марфуриус,— и мне кажется, что я с вами говорю, но это не непреложно».
      Но, как ни смейся над скептиками, проблема познаваемости мира и достоверности знания грозно стояла на пути зарождающихся опытных наук. Она была очень остра и актуальна на заре Нового времени, когда жили и работали Коперник, Галилей, Кеплер.
      Лишь в начале XVII в. зародился научный метод познания реальности, и на нем как на прочном фундаменте основываются с тех пор опытные науки.
     
      Из чего же складывается этот метод?
      Достоверное и невозможное. Научный подход начинается с проведения границ достоверного и невозможного. Сделать это позволяет стабильность достижений науки. Что это значит?
      Хорошо проверенные законы и соотношения остаются неизменными и после нового значительного открытия или научной революции. Радиоастрономия совершила переворот в астрофизике, позволив обнару-
      жить радиогалактики, пульсары, реликтовое излучение, но фундаментальные закономерности физики не изменились. Даже теория относительности Эйнштейна, перевернувшая привычные представления о пространстве и времени, практически не изменила хорошо известных законов механики и электродинамики тел, движущихся с обычными скоростями.
      Новая теория тяготения, созданная Энштейном, предсказала, что гравитационное поле вблизи тяжелых тел изменяет геометрические свойства пространства,— к этому поразительному предсказанию мы не раз еще вернемся. Согласно теории тяготения, около Солнца геометрия отклоняется от обычной, евклидовой, которую мы учим в школе; сумма углов треугольника хоть и мало, но отличается от 180°, отношение длины окружности к радиусу — от 2л, линия кратчайшего расстояния между двумя точками отличается от прямой, проходящей через них,— и это было хорошо проверено на опыте,— лучи далеких звезд, проходя мимо Солнца, искривляются.
      Значит, более двух тысяч лет люди распахивали землю, строили, чертили карты, пользуясь неправильной геометрией? И нужно сейчас же исправить школьные учебники?
      В науке существует «принцип соответствия», согласно которому новая теория должна переходить в старую в тех условиях, для которых эта старая была установлена. Измерения, наблюдения, опыты с глубокой древности до наших дней показывают, что геометрические теоремы, примененные к реальным физическим объектам, выполняются с огромной точностью. Великий немецкий ученый, заслуживший прозвище «короля математики», Карл Гаусс проверил, не отклоняется ли геометрия нашего мира для больших размеров от евклидовой, определяя свойства треугольника, образованного вершинами трех гор.
      В пределах точности его опытов евклидова геометрия подтвердилась. Но можно указать такой масштаб расстояний, на котором не останется ничего похожего на обычную геометрию,— он будет колоссально велик, масштаба радиуса Вселенной. Сильно изменяется геометрия и вблизи сверхплотных звезд. Но для физических тел, окружающих нас, она сохраняется очень точно.
      Итак, научная революция, даже коренная, не отменяет ранее установленных законов и соотношений, а лишь уточняет их, помогает определить область их применимости.
      Зная, что хорошо проверенные законы неизменны, можно отличить явления, не вызывающие сомнения, от того, что противоречит многолетнему научному опыту. Посередине окажется область неизученного, но возможного — здесь и сосредоточены интересы науки.
      В области достоверного окажется все, что не может быть опровергнуто при любом повороте в развитии науки. Что может пошатнуть представление о том, что Земля круглая? Что заставит поверить в существование вечного двигателя, т. е. в грубое нарушение закона сохранения энергии? Анализ достоверных фактов заставляет физиков скептически относиться к телекинезу — способности передвигать предметы по желанию человека, силой духа. За несколько столетий сколько несчастных, одержимых мечтой о неожиданном богатстве, стояло у игорных столов, не сводя глаз с маленького шарика рулетки. Но хотя игроки ставят на кон свою собственную жизнь, тщательный анализ выигрышей показал, что они всегда подчиняются теории вероятности.
      Ни в одном добросовестном физическом эксперименте желание экспериментатора не влияло на результат измерений, хотя физикам приходится иметь дело с необычайно легкими и легко перемещаемыми объектами.
      Наука оберегает свои завоевания, она лишь переосмысливает старое, не отвергая, а вбирая его в себя, как вписываются старые дворцы и храмы в новый прекрасный город.
      Догадка и истина. Следующий шаг — безжалостно отделить самую красивую, самую романтическую и даже правдоподобную догадку от доказанного утверждения. Это необходимо опытным наукам так же, как криминалистике; науке—чтобы не потонуть в море суеверий, криминалистике — чтобы не стать опорой беззакония.
      Для возникновения жизни на планете необходимо совпадение множества сложнейших условий, и каждое условие делает это событие все менее вероятным, так что жизнь во Вселенной — крайне редкое явление. Если бы условия совпали, если бы жизнь на других планетах все-таки зародилась, если бы ее
      развитие привело к высокоразвитой цивилизации, если бы странная прихоть или случайность забросила пришельцев в дальний уголок, в нашу Солнечную систему, они могли бы посетить Землю, если бы их организм был приспособлен к земной природе, если бы... Но утверждать, что они действительно здесь побывали, нет никаких оснований, все «следы инопланетян», обнаруженные любителями романтики, вернее — псевдоромантики, имеют простое и естественное объяснение. Любители с необычайной легкостью находят их повсюду, не задаваясь сложными вопросами, не снисходя до объяснений и доказательств.
      Еще в Древнем Риме юристы при решении дел исходили из презумпции невиновности: обвиняемый считался невиновным до тех пор, пока его вина не доказана. Когда речь идет о странных и необычных явлениях, ученые не обязаны доказывать, что их
      нет, но романтики обязаны доказать, что такие явления существуют.
      Правило «во всем сомневаться», доведенное когда-то скептиками до абсурда, ученые взяли на вооружение, пользуясь им в разумных пределах.
      Конечно, не следует, отнеся что-либо к разряду необычного, навсегда отступиться от него — серьезный экспериментатор, беспристрастно и всесторонне изучая явления, может обнаружить много интересного. Не нужно только задаваться целью доказать или опровергнуть явление — это ведет к предвзятости,— а лишь тщательно изучить его.
      Научный метод и профессионализм. Предельный профессионализм — одно из главных требований к человеку, посвятившему себя науке. Можно назвать его здравым смыслом научной работы. Наука * не может двигаться без внезапных скачков мысли, озарений, интуиции, но неожиданные идеи, выдерживающие проверку, возникают только на основе профессионализма. Да и научная интуиция рождается в результате серьезной работы, как в хирургии, где сложные вещи удаются только на самом высоком профессиональном уровне.
      «Как же так, — скажете вы. — Ведь всем известно, что Ампер и Фарадей не получили специального образования, Вольта учился в школе иезуитского ордена, Джоуль был пивоваром, врачами были Коперник, Гельмгольц и Майер, юристами — Авогадро, Лавуазье и Ферма. Писателей, получивших профессиональную подготовку, можно пересчитать по пальцам, а Толстой был артиллеристом, Достоевский — топографом, Чехов — врачом...»
      Это сильно осложняет вопрос о дилетантах и профессионалах. Но если немного подумать, становится очевидным, что все перечисленные «дилетанты» достигали успеха, только став образованнейшими в новой области специалистами. Юрист Эдвин Хаббл
      сделал крупнейшие открытия в астрономии только после того, как проработал много лет простым наблюдателем в обсерватории, полностью овладел новой специальностью...
      Недоверие ученых к любителям часто принимают за некрасивое стремление к элитарности, замкнутости научных кругов, пропуском в которые будто бы может служить только свидетельство о специальном образовании. Нет, справку иметь не обязательно, но обязательно в совершенстве владеть методом, знать тайны мастерства.
      Один из главных пороков дилетантов в любой области человеческой деятельности — верхоглядство. Обратимся к далекой от нашего рассказа науке — археологии.
      Говорят, что еще маленьким мальчиком, слушая легенды, которые рассказывал отец, Генрих Шлиман сказал: «Когда я вырасту, я найду Трою. .» Он вырос, изучил множество языков, стал торговцем, королевским купцом, основал банк и тогда все бросил, поехал искать Трою, легендарный город, описанный Гомером в «Илиаде». Он открыл новый мир, уникальные памятники, сделал историю богаче на тысячу лет. Но Шлиман не был профессионалом! Он торопился, уничтожил верхние слои, древние сооружения, стены; его датировки оказались неверными, он принял за слой, соответствующий гомеровской Трое, более древний... Заслуга Шлимана перед историей так велика, что ученые прощают ему ошибки, но с оговорками. Автор интересной книги по археологии Карел Корам пишет о Шлимане: «... в первый год он вел себя на холме Гиссарлык как мальчик, который, стремясь узнать, как устроена игрушка, разбивает ее молотком...»
      Пример настоящего научного подхода показал другой человек, сделавший самую выдающуюся находку в Египте, открывший гробницу фараона Тутанхамона. Его имя — Говард Картер, великий археолог, сумевший сочетать максимальную научную точность и добросовестность с энтузиазмом исследователя. Когда после шести лет поисков был найден вход в гробницу, Картер записал в своем дневнике: «За этим ходом могло скрываться буквально все, что угодно, и мне пришлось призвать на помощь все мое самообладание, чтобы не поддаться искушению сейчас же взломать дверь и продолжать поиски». Работа археолога требует осторожности — ведь неловкое движение, струйка воздуха может уничтожить то, что потом уже никогда не восстановишь. Картер движется очень медленно, шаг за шагом, открывая невиданные сокровища, свидетельства духовной культуры Древнего Египта, и археолог полностью сознает важность научной задачи, стоящей перед ним. Нужно было установить первоначальное расположение предметов, законсервировать,
      обработать, упаковать найденное, сообщить о находках другим специалистам, создать исследовательскую лабораторию... Не вскрывая следующей комнаты, Картер прекратил работы и решил засыпать только что раскопанную гробницу. Он вернулся только через год. Благодаря мужеству и выдержке ученого, в совершенстве владеющего своей профессией, и научная ценность этих раскопок оказалась значительнее всех прежних.
      Часто можно услышать, что специалист ограничен своими знаниями, не может увидеть неожиданного. Конечно, есть плохие специалисты, но те, кто стоит на переднем крае науки, не могут допустить предвзятости. Можно привести множество примеров отказа ученых от привычных представлений, но при непременном условии, чтобы новые взгляды не противоречили хорошо установленным фактам. Дилетантам, утверждающим «со стороны виднее», не надо считаться с фактами, потому что они их не знают.
      Ступени познания. Во всех опытных науках — физике, химии, астрономии, биологии, психологии... для того чтобы установить истину, нужно поставить научный эксперимент, дающий повторяющиеся результаты и подтвержденный независимыми опытами других исследователей. Без требования повторяемости и воспроизводимости результатов эксперимента нет науки.
      Астрономический эксперимент состоит в том, что определенным образом отбирается место, время и способ наблюдения. Даже математики делают правдоподобные предположения, т. е. эксперименты, которые превращаются в строгие доказательства. В биологии, психологии часто требуется не количественный, а качественный эксперимент, но и здесь он позволяет установить общность соотношений, из которой выводятся закономерности,— на этом основывается наука.
      Научный эксперимент — верховный судья истины — устанавливает факты. Науку составляют факты, соотношения между ними и, главное, систематизация этих соотношений с помощью сознательно упрощенной модели явления. Такая систематизация фактов и называется теорией.
      Эксперимент испытывает предсказания теории на прочность. Когда теория, наконец, не выдержит, строится новая, с учетом старых фактов и тех, что появились при проверке. Если убедительно построенная теория противоречит установленным фактам, возникает научный парадокс, происходит скачок в развитии науки.
      Только после превращения собрания фактов в стройную систему представлений — в теорию — возможно предсказание новых явлений.
      Итак, каков же путь научного познания?
      Эксперимент, теория, правдоподобные предположения, гипотезы — новый эксперимент, уточнение, проверка границ применимости теории, возникновение парадоксов, новая теория, интуиция, озарение — скачок — новая теория, новые гипотезы — и снова эксперимент...
      В основе научного метода лежит объективность, воспроизводимость, непредвзятость; он развивался, совершенствовался и был отобран как самый рациональный — уже более трех веков руководствуется им на своем пути наука.
      Великий Эйнштейн говорил, что научный метод дает средства для достижения цели, но сам по себе не есть цель — сам по себе научный метод никуда нас не приводит; он и не появился бы без страстного стремления к истине.
      Научное творчество. Что нужно альпинисту, идущему на штурм Эвереста? Хорошее снаряжение, владение техникой восхождения, нужно уметь переносить холод, ночевки на снегу, уметь дышать, смотреть и не слепнуть, тащить на спине огромный рюкзак. Но нужно еще и уметь соразмерить силы, выбрать направление, знать, что делать, если товарищ сорвался в трещину...
      У ученого свои вершины, и, поднимаясь к ним, он должен не только владеть техникой исследования, но и воспитать себя для подвижнической работы.
      Побуждения к творчеству. Почему человек берется решать научные задачи? Конечно, потому, что он хочет принести пользу людям. Но иногда еще ему нужно доказать кому-то, а то и всему свету, что именно он может это сделать,— назовем это стремлением к самоутверждению. Иногда он чувствует потребность и способность решить нерешенную задачу — назовем это желанием самовыражения. Это уже ближе духу науки, но самое благородное, отвечающее цели побуждение — любопытство, желание узнать, как устроена природа.
      Английский поэт, автор всем вам известной книги про Маугли, Киплинг писал:
      Есть у меня шестерка слуг, проворных, удалых.
      И все, что вижу я вокруг,— все знаю я от них.
      Они по знаку моему являются в нужде.
      Зовут их: Как и Почему, Кто, Что, Когда и Где.
      Цель научной работы — узнать, как, почему, когда, где, что происходит на самом деле, что произошло такого, чего не было известно раньше...
      В статье «Пролог» Эйнштейн говорит, что одни посвящают себя науке, чтобы проявить свое дарование, другие — из-за приличного вознаграждения, «... но ясно, что если бы люди, посвятившие себя науке, относились только к этим двум категориям, то ее здание никогда бы не выросло до тех величественных размеров, которые оно имеет в настоящее время, точно так же, как не смог бы подняться лес, состоящий из одних лишь ползучих растений».
      Ученый не должен стремиться сделать открытие. Разъясним это, может быть, неожиданное заявление. Конечно, можно мечтать об открытии, но эта мечта должна контролироваться безупречной добросовестностью и в процессе исследования спрятаться подальше. Если она пересилит — почти неизбежно начинается погоня за эффектными результатами, невольная подтасовка фактов — и человек погиб для науки!
      Очень важно уметь посмотреть другими глазами на привычное и удивиться ему; например, ночью поднять глаза и задуматься: почему небо темное? Ведь если Вселенная бесконечна и звезды заполняют ее более или менее равномерно, небо должно сиять ярче тысячи солнц — число звезд с расстоянием растет быстрее, чем падает интенсивность света от каждой отдельной звезды... Этот парадокс разъяснился, когда ученые узнали, что Вселенная когда-то — двадцать миллиардов лет назад — состояла из сверхплотной материи, когда не существовало не только звезд, но и ни молекул, ни атомов, ни ядер... К нам приходит свет только тех звезд, которые находятся на расстоянии меньше двадцати миллиардов световых лет. Новое понимание Вселенной подобно скачку, который сделало человечество, обнаружив, что Земля круглая. Способность увидеть неожиданное в привычном, умение удивляться, любопытство исследователя — непременное качество человека, посвятившего себя науке.
      Рифы и отмели. Говорят, что на ошибках учатся. Специалист, по словам замечательного датского физика Нильса Бора, — это тот, кто знает распространенные ошибки и умеет их избегать.
      Начиная работу, ученый невольно ищет доводы «за», но он должен помнить, что главное — искать доводы «против», подтверждающие соображения возникают сами, помимо сознания. Ничтожная ошибка вначале может привести к катастрофе, и успокаиваю-
      щие аргументы защищают эту роковую ошибку от пристального критического взгляда.
      В лаборатории, которую возглавлял опытный экспериментатор, изучали, как распределяются по энергиям альфа-частицы, вылетающие из ядер, или, иными словами, энергетический спектр альфа-частиц. Этот спектр состоит из резких максимумов, а разница между энергиями максимумов показывает возможные значения энергии того «дочернего» ядра, которое возникло после альфа-распада. И когда экспериментаторы нашли равноотстоящие по энергии группы альфа-частиц, это означало, что интервалы между энергетическими уровнями дочернего ядра одинаковы! Этот результат был полной неожиданностью и противоречил существующим представлениям о структуре ядра. Теоретики не смогли объяснить его, и началась дальнейшая проверка.
      Что же оказалось? В самом начале равноотстоящие значения энергии получились случайно, и экспериментаторов так взволновала возможность сделать открытие, что каждый раз, когда выходило по-другому, они проверяли напряжение в сети. Если напряжение отличалось от нормы, результат измерений отбрасывался. Беда была в том, что проверку делали только тогда, когда получался нежелательный результат. Небольшая предвзятость в обработке фактов из-за большой статистики привела к неправильному выводу. Добросовестный экспериментатор на этот раз потерял контроль над действиями своих менее опытных сотрудников.
      Существует что-то вроде заколдованного круга: нельзя сделать научную работу без ясного понимания проблемы, но нельзя добиться ясного понимания, не сделав работу. . . Здесь опасны обе крайности: и стремление все понять, а потом работать — это сковывает инициативу; и желание схватить на лету, угадать результат, не понимая, — это ведет к верхоглядству.
      В работе не должно быть спешки и суеты, как не должно быть и веры в собственную непогрешимость. Верить в свои силы необходимо, но убеждение в непогрешимости приводит к тому, что, раз выбрав неверное направление, человек будет упорно его держаться. Очень сложно, но нужно найти правильную меру уверенности и сомнения, колебаний и непреклонности, гибкости и несгибаемости...
      Секреты ремесла. Существуют ли какие-нибудь чудесные секреты: как найти решение, как направить фантазию по нужному пути, как возникают скачки мысли, неожиданные сопоставления, озарения? В чем тайна творчества?
      Есть удивительная область человеческой психики — подсознание. Здесь хранится накопленный опыт, опыт не только одного человека, но многих поколений, здесь рождается интуиция. Когда человек спасается от смертельной опасности, мгновенно
      включается подсознание и ведет его коротким, лучшим путем. Это «нижний этаж» обычного человеческого сознания; на «верхнем этаже» рождаются слова, понятия, на «нижнем» — образы. И бывает, что образ подсказывает решение!
      Однажды, когда я бился над тем, как найти формулу, которая давала бы вероятность вылета электрона из атома при ядерных столкновениях, то увидел во сне, что по арене цирка скачет наездница, резко останавливается — и цветы, которые она держит в руках, летят в публику. . . Я понял, что в системе координат, где ядро покоится после столкновения, проще описать состояние вылетающих электронов. Но не спешите укладываться спать, великий французский ученый Луи Пастер говорил, что случай помогает только подготовленному уму. Может быть, если бы этот сон увидела сама наездница, он подсказал бы ей совсем другое — как поставить новый номер; а лошадь радостно поняла бы, что если как следует остановиться на полном скаку, то со спины слетят не только цветы, но и наездница.
      Чтобы хорошо работать днем, очень важно поработать накануне вечером, «дать задание» подсознанию, направить его на верный путь, определить круг понятий, в котором можно найти разгадку. Если бесчисленное множество раз повторить рассуждения и вычисления, проделывая их без бумаги, в уме, — скоро решение придет само собой.
      Сделать серьезную работу можно упорными неотступными усилиями, решением вспомогательных задач, подходами с разных сторон.. . Нужно отбросить все посторонние мысли, довести себя до состояния высшего вдохновения, когда сознательная работа продолжается во сне, а подсознательная — наяву. . . Для этого нужно многое — взволновавшая до глубины души задача, владение техникой решения, безупречное здоровье, огромное мужество, чтобы поверить в свои результаты, способность не испугаться собственных выводов, если они расходятся с общепринятыми, и умение довести работу до конца.
      Да, внезапное озарение приносит успех, но не забывайте о том, что озарение рождается упорным трудом.
      Профессия физика. Что может быть важнее в жизни человека, чем выбор профессии? Пожалуй, это первый самостоятельный выбор — ведь мы не выбираем себе место рождения или школу, в которой будем учиться; пока мы не выросли, за нас это часто делают родители, воспитатели. Но если нам выбирают профессию, к которой мы не чувствуем любви, не имеем способностей, — беды не миновать. Как часто человек, занимающийся не своим делом, губит собственную жизнь, а иногда и приносит вред окружающим. Что если свою профессию не любит врач, учитель или летчик? Пусть те из вас, кто заинтересовался физикой; постараются лучше понять, что представляет собой эта наука и подходит ли она вам по вашим склонностям и способностям.
      Теоретическая и экспериментальная физика. В прошлом веке, когда физика не была еще так специализирована, многие ученые занимались одновременно и теорией, и экспериментом.
      Джеймс Клерк Максвелл теоретически получил замечательные уравнения, объединившие электричество, магнетизм и оптику; в то же время он был профессором экспериментальной физики в Кембридже, создателем знаменитой Кавендишской лаборатории, изобретателем приборов. Генрих Герц, экспериментально обнаружив электромагнитные волны, построил теорию распространения электромагнитных волн, развивая открытие Максвелла. Но все же можно сказать, что главная профессия Максвелла — теоретическая физика, а Герца — экспериментальная.
      В наше время итальянский физик Энрико Ферми, создавший теорию радиоактивного распада, вместе с учеными своей группы экспериментально установил, что почти все элементы делаются радиоактивными при бомбардировке нейтронами. Но о Ферми мы говорим — «теоретик». Советский ученый академик Г. И. Будкер совмещал занятия теоретической физикой с разработкой замечательных инженерных идей. Он теоретически разработал ускоритель на встречных пучках заряженных частиц и руководил его созданием. В таком ускорителе вся энергия идет на рождение новых частиц, тогда как при столкновении энергичной частицы с неподвижной мишенью на рождение идет только малая доля.
      Но сейчас эти две профессии совмещаются крайне редко. Каждая из них требует специальных знаний: эксперимент — знания методов измерения, теория — владения сложным математическим аппаратом. А главное, что теоретику и экспериментатору нужен разный тип мышления и разные формы интуиции — теория, имеющая дело с более отвлеченными понятиями, требует и более абстрактной интуиции.
      Экспериментаторы изучают соотношения между физическими величинами, измеряя их с помощью приборов; теоретики выводят новые соотношения, пользуясь только бумагой и карандашом, используя все известные правила и законы, интуитивные догадки.
      У истоков теоретической физики стоял Исаак Ньютон. Чтобы объяснить, почему планеты движутся по эллипсам с фокусом у Солнца и почему кубы радиусов орбит пропорциональны квадратам периодов обращения, он предположил, что между двумя массами действует сила, пропорциональная их произведению и обратно пропорциональная квадрату расстояния между телами. Ньютон сформулировал основные законы классической механики. Он преодолел огромные по тому времени математические трудности и получил количественное объяснение движения планет, вычислил возмущения движения Луны под влиянием Солнца, построил теорию приливов... Теоретическая физика началась с того, что Ньютон превратил недоказанную идею всемирного тяготения в физическую теорию, подтвержденную опытом.
      Великим физиком-теоретиком нашего века был Альберт Эйнштейн. Теорию относительности, открывшую совершенно новое понятие пространства-времени, он создал, пользуясь только бумагой и карандашом. Оказалось, что время течет по-разному в неподвижной системе и в равномерно движущейся. Формулы Эйнштейна были с огромной точностью подтверждены результатами экспериментов последних десятилетий: быстро движущиеся нестабильные частицы, такие, как пи-мезоны или мюоны, распадаются медленнее, чем неподвижные.
      Каждое произведение искусства говорит нам о том, каким был его автор, о его мыслях и чувствах, даже одну и ту же сказку разные люди рассказывают по-разному. У каждого автора существуют особые приемы, свои образы, своя манера изображения — то, что называется стилем. Стиль работы существует и у физиков-теоретиков. Одним важно получить результат любым способом, другие разрабатывают наиболее подходящий к задаче метод, добиваясь более глубокого понимания. Одни решают задачи, которые прямо не связаны с опытом; другие работают в тесном контакте с экспериментаторами, теоретически анализируя эксперимент или планируя будущие опыты. Есть теоретики, предпочитающие строгий математический подход, а иным важнее подход качественный, когда результаты получаются на простых моделях и по возможности наглядно.
      Среди физиков-теоретиков нашей страны были представители разных стилей.
      Лев Давыдович Ландау сочетал глубокое качественное понимание проблем с виртуозным владением математическим аппаратом. Владимир Александрович Фок строго математически формулировал задачи. Игорь Евгеньевич Тамм изучал приближенные модели или использовал приближенные методы для решения сложной задачи. Николай Николаевич Боголюбов сочетает математику и теоретическую физику, он строгими методами изучает сознательно упрощенные модели явлений. Исаак Яковлевич Померанчук строил теории явлений, вскрывающих самые глубинные свойства мира, — его работы всегда оказывались на переднем крае науки. Яков Ильич Френкель выдвигал громадное количество идей, не стремясь довести исследование до конца, только качественно рассматривая задачи.
      Чем сейчас занимается теоретическая физика? Важную задачу науки немецкий ученый Вильгельм
      Оствальд формулировал так: «... находить соотношения между определенными и измеримыми величинами, чтобы из одних могли быть выведены другие». Это направление тесно связано с экспериментом, на нем основана, в частности, прикладная физика, дающая множество практических применений. Так, пользуясь законами движения электронов в металле, теоретики рассчитали кривую зависимости электрического сопротивления от температуры и объяснили природу сверхпроводимости.
      Сущность другого направления развития науки определил ирландский математик Уильям Гамильтон: «Продвигаясь путем развития наших физиче-ких представлений, наука может продвигаться также и по пути изобретения новых математических методов». Теоретическая физика использует и развивает методы математики, которые помогают открывать свойства симметрии законов природы.
      И наконец, главное — воспользуемся словами великого немецкого поэта Фридриха Шиллера: «Старайтесь найти вечный закон в чудесных превращениях случая, отыскать неподвижный полюс в бесконечной веренице явлений ...» Наука открывает и исследует общие принципы, которые лежат в основе мироздания, такие, как причинность, свойства симметрии, законы сохранения. .. Так, квантовая механика обобщила классическое понимание причинности; теория элементарных частиц основывается на внутренних симметриях элементарных частиц; теория относительности — на симметрии пространства-времени...
      Итак, теоретическая физика намечает пути к пониманию единства, симметрии и динамики явлений природы, к пониманию красоты Вселенной.
      Но не будем забывать про эксперимент — любое теоретическое построение станет научной истиной, только подтвердившись экспериментом и дальнейшим
      развитием теории. Задача экспериментальной физики — подтверждение или опровержение теоретических предсказаний на опыте, поиски новых неожиданных соотношений. Дальше речь пойдет именно о теоретической физике, поскольку это моя профессия, говорить о ней мне легче и интереснее.
      Физика и математика. Макс Борн — немецкий ученый, один из основателей квантовой механики — сказал: «Математический формализм оказывает совершенно удивительную услугу в деле описания сложных вещей.. .» Действительно, количественное описание физического мира невозможно без математики — она дает способ решения уравнений, методы описания, она открывает красоту опытных наук Многие симметрии можно увидеть только с помощью сложнейших математических построений, после искусных преобразований.
      Мы начали со слов Макса Борна, но привели только первую половину его высказывания о математическом формализме, а вторая вот:«. . . но он нисколько не помогает в понимании реальных процессов».
      Математические построения не зависят от свойств окружающего мира, математика не интересует, для каких физических величин будут использованы уравнения, поэтому математика стала универсальным инструментом для всех естественных наук. Все выводы математики должны быть логически строгими и безупречными, вытекающими из принятых аксиом.
      Физика старается нарисовать по возможности точную картину мира, используя и недоказанные предположения, оценивая, насколько они убедительны, угадывая, какие недостающие соотношения реализуются в природе. Если математик исследует все возможные типы геометрий, то физик выясняет, какие именно геометрические соотношения осуществляются в нашем мире.
      Физик думает не столько о методах решения, сколько о том, законны ли сделанные упрощения, с какой точностью и при каких значениях переменных найденные уравнения правильно описывают явление и, главное, что произойдет, если результат подтвердится или будет опровергнут опытом, от каких предположений придется отказаться, как изменится наш взгляд на все другие известные явления.
      Если случится, что все результаты какой-либо области физики можно будет вывести из нескольких строго установленных экспериментально аксиом, эта область станет разделом прикладной математики или техники, как это произошло с классической механикой, электродинамикой, теорией относительности. Теоретические построения в физике требуют постоянного согласования с уже известными законами природы, с тем, что мы знаем об окружающем мире. Физическая теория не логическая конструкция, а здание, построенное на правдоподобных предположениях, которые предстоит проверить.
      Физика и математика — науки с разными целями и разными подходами к решению задач.
      Как работают физики-теоретики. «Догадка предшествует доказательству»,— утверждал великий французский математик Анри Пуанкаре, имя которого еще не раз встретится вам на страницах этой книги. Прежде чем искать результат, нужно угадать возможное решение.
      Можно принять такую последовательность действий в теоретической физике.
      Сначала попытаться решить задачу самому, ничего не зная о том, как ее пробовали решать другие. Сделав первые качественные оценки порядков величин, предположив направление поисков, вы будете уже совсем по-другому читать литературу, активно, прикидывая тут же, как действовать дальше. Попутно выясняется, как могут ограничить область возможных решений общие принципы физики, например законы сохранения.
      Теперь можно попробовать найти грубое качественное решение при разных параметрах задачи. Параметры — совокупность чисел, определяющих условия задачи. Затем нужно попытаться найти количественное решение задачи в предельных случаях, когда задача упрощается... Но начнем сначала.
      Качественный анализ. Качественный анализ едва ли не самая важная стадия работы, когда почти без всяких вычислений получаются грубые соотношения между величинами, проясняется физическая картина явления. Один из главных элементов качественного анализа — решение задачи на упрощенных моделях, в которых отброшено все несущественное. Чтобы упростить задачу, надо знать, чем можно пренебречь.
      Вы, наверно, слышали легенду о том, как воспитатели знаменитого силача упрощали сложную задачу: чтобы богатырь мог носить на плечах огромного быка, они с детства заставляли его носить маленького теленка. Теленок рос, но мальчик не замечал этого, поднимая его ежедневно, и вот в один прекрасный день люди увидели взрослого мужчину, легко несущего могучее животное.
      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ