Владимир Келлер - Возвращение чародея

• Название: Возвращение чародея
• Автор: Владимир Келлер
• Издательство: Детская литература
• Жанр: Физика
• Год: 1970

Эта книга — увлекательный рассказ о научном познании окружающего мира. Она знакомит школьников 8–10-х классов с широким кругом вопросов классической и современной физики. Много интересного узнают ребята о законах механического движения, об энергии и ее источниках, о различных состояниях вещества, о законах движения в микромире и не решенных еще научных проблемах.

---

Кто хочет изучать жизнь обитателей морей и рек, должен сделаться водолазом. Он должен научиться погружаться в чуждую обстановку, а не тянуть в свою (смертоносную для живущих под водой) представителей иной стихии.

Примерно то же можно сказать о современном физике, работающем в наиболее абстрактной области науки — в квантовой механике. Положение здесь даже много сложнее, чем для ихтиолога. В отличие от своего собрата — ученого, изучающего жизнь морей, — ученый-квантовик имеет дело с «существами», размеры которых не превышают триллионных долей сантиметра и которые «живут» в стихии, несравненно более фантастической, чем водные глубины.

Малость — принципиальное свойство микрочастицы. А с этим свойством связаны все другие, и прежде всего то, что движение микрочастицы весьма существенно зависит от окружающей обстановки.

Увлеченный трудностями, раскрывшимися в мире микрочастиц, В. А. Фок еще в молодые годы решил посвятить свою жизнь исследованию этой необычайной стихии. «Батискафом» для него служили воображение и научная абстракция, а языком, которым он описывал «увиденное» в затаенных недрах вещества, — математические символы и уравнения. Природа разговаривает с нами языком формул, — на нем надо ей задавать вопросы, на нем же ждать ответа.

Еще в 1926 году Фок разработал такие формулы, которые учитывали сперва наличие магнитных полей, а потом также и увеличение массы частицы, когда ее скорость приближалась к скорости света. Позднее, изучая движение электронов, Фок принял во внимание и наличие других электронов и эффектов, возникающих при взаимодействии с ними.

Ни один физик до того времени не умел достаточно эффективно учитывать, пользуясь языком математики, всех этих весьма существенных обстоятельств, и расчеты, касающиеся микрочастиц, были поневоле очень неточными.

Вершиной творческих успехов В. А. Фока, однако, следует признать его работы, объединенные под туманным для непосвященных названием «Исследования в области квантовой теории поля».

Слово «поле» для той области мира, где разыгрываются квантовомеханические события, было придумано, разумеется, более или менее случайно. С таким же успехом эта область могла бы быть названа океаном, морем или как-нибудь иначе. Главное не в названии, а в его смысле: раз есть волна, значит, должен быть и простор для нее. И уж совсем неважно, как его обозначить в первый раз (важно потом придерживаться раз придуманного термина).

Исследователи пытливо вглядывались в удивительный мир квантов. К каким только математическим ухищрениям они не прибегали, чтобы разобраться, что происходит в микромире! Чего только не придумывали, чтобы можно было предугадать ход событий на его аренах: ведь первая задача науки — научиться предвидеть будущее по событиям настоящего! Положение усложнялось тем, что полей было не одно, а несколько. В зависимости от сорта частиц существуют поля: электромагнитное, мезонное и т. д. Но проникнуть в тайны мира квантов казалось невозможным. Неведомое было закрыто на крепкий замок. Были ясны многие основные физические идеи, но отсутствовал эффективный математический аппарат для решения ряда важных конкретных задач.

Внимательно смотрел на мир невидимок и Владимир Александрович Фок. Долго и напряженно изучал он поведение частиц при их превращениях. Много пришлось бы говорить о всех трудностях, с которыми он столкнулся. Надежды сменялись разочарованиями. Казалось, постигнуть смысл происходящего невозможно: слишком не приспособлен для этой цели человеческий разум, слишком велик груз обычных представлений…

Но вот наконец победа! Фок раскрывает тайны, казавшиеся непостижимыми. Он проникает в недра Неведомого. Он дает важнейшие математические методы решения большого класса квантовомеханических задач.

Отныне сложные и важные процессы микромира можно рассчитывать, предугадывать изменения, которые происходят в микромире, и делать все это с высокой точностью.

Мировая наука сразу подхватила смелые идеи и методы В. А. Фока и поставила их на вооружение при исследовании взаимодействий мельчайших крупиц материи.

Особенно широкие горизонты раскрылись перед этими методами в квантовой теории поля в годы после второй мировой войны. Если сам Фок вынашивал свои идеи применительно лишь к электромагнитному или электроннопозитронному полю, то они оказались настолько плодотворными и универсальными, что их стали применять и для других полей. Показав, как надо учитывать возможность изменения числа частиц в процессе, Фок облек в математическую форму не только закономерности возникновения или поглощения квантов света при переходе электронов в атоме с одной орбиты на другую, но и некие более общие, применимые и к другим квантам и частицам, закономерности.

Теперь идеи и методы академика Фока широко применяются в различных разделах физики.

Хочу закончить эту главку одним чрезвычайно общим соображением.

Цивилизация, созданная людьми, вполне естественно носит ярко выраженный антропоморфный, то есть человекоподобный, очеловеченный характер. Дома, машины, самолеты, книги, автоматические ручки, меры времени и меры веса, симфонии и ритмы танцев, стихи, философия, наука, словом, все на свете, созданное людьми, — все создано для одного-единственного существа — человека. Все приспособлено под его рост, вес, сроки жизни и расписание дня, духовное развитие, духовные потребности, тонкий зрительный и слуховой аппарат, приспособлено в тех диапазонах, в каких живут предельно отличающиеся друг от друга люди.

Ни одно иное существо, как бы разумно оно ни было, не смогло бы без каких-то специальных приспособлений воспользоваться плодами человеческой цивилизации.

Очевидно, аналогичный вывод надо сделать и по отношению к человечеству, если оно когда-нибудь столкнется с высокоорганизованными внеземными существами.

Будет время, и люди перенесутся уже не мысленно, а вполне реально на другие планеты, в другие обстановки и сферы бытия. Почти бесспорно, что они когда-нибудь отыщут в мироздании иные, чем земной, очаги жизни. Не будем говорить о том, будут ли эти очаги носить следы какой-нибудь цивилизации. Одно бесспорно: кто бы ни жил там — те существа не могут ни в малейшей степени походить на нас. Почти наверняка у человека найдется больше сходства с ящерицей, а может быть, и с деревом, чем с инопланетными существами. Невероятно, чтобы встретилась планета с набором тех же диапазонов, что на Земле: температур, давлений, состава атмосферы, масс живых существ, — с диапазоном жизненных свойств таких существ, их ощущений, чувств опыта и т. п.

Сознание людей потребует какого-то «перевоплощения», отказа от антропоморфности, чтобы понять жителей далеких миров. Может быть, мы уже имеем доказательства того, что люди будущего справятся с такой задачей? Может быть, одно из этих доказательств — то, что ученые находят путь «перевоплощения» для понимания таких миров, как квантовая механика?

Открытие космических возможностей человеческого сознания способно наполнить нас горделивым чувством, дать повод помечтать о новых необъятных горизонтах разума.

Человек, теория относительности и космос

В главке «Масштабные эффекты» мы видели, меняются размеры тела — меняется соотношение сил, действующих на него: одни силы увеличиваются относительно других, другие уменьшаются. Человек, который вздумал бы выявлять законы природы, изучая механическое поведение различных объемов воды, пожалуй, мог бы прийти к выводу, что законы эти различны, и «на уровне росинки» совсем не те, что «на уровне стакана».

Мы видели, почему это неверно. Материальный мир един, едины и управляющие им физические законы. Но так уж он устроен, что на любом «размерном уровне» выпячиваются одни силы и подавляются другие. Резкое уменьшение размеров тел приводит человека в мир, где усиливаются и даже господствуют эффекты, не наблюдаемые в повседневности, хотя они бесспорно есть и здесь. Чтобы их учесть, физики разработали механику микрочастиц — квантовую механику, законы которой в частном случае (при движении больших тел, когда «эффекты малости» приравнивают к нулю) принимают форму обыкновенных законов классической физики.

Оказалось, что и очень резкое увеличение скоростей движения тел делает явными своеобразные эффекты, не наблюдаемые обычно. Их изучает раздел физики, известный под названием «теория относительности».

Пока человек имел дело со скоростями, не превышающими одного-двух (редко больше) километров в секунду, он мог пренебрегать релятивистскими эффектами: они в этом случае исчезающе малы. Успехи атомной физики, описывающей частицы, летящие со скоростями, близкими к световой, уже не допускают подобного пренебрежения.