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.

---

Как приближенные представления о движении становились все точнее

Почерк природы

Жили-были очень умные бородачи. Они смотрели по сторонам и старались угадать, из чего состоят все вещи. Особенно их интересовало то общее, что есть во всех предметах. Бородачи, хотя и жили более двух тысяч лет назад (в стране, которую мы называем теперь Древней Грецией), верно рассуждали, что в руках одного мастера — Природы — все должно иметь как бы единый почерк, чем-то напоминать одно другое.

Но чем именно? Какие свойства одинаково присущи воздуху и камню, дереву и человеку? Вопрос волновал и манил тайной. По почерку людей угадывают их характер; не начинается ли разгадка мироздания с разгадки почерка природы?

Как же отвечали бородачи?

По мнениям они разделились. Одни решили, что общее для всех вещей — их неизменность, стремление к покою. Даже летящая стрела казалась этим людям застывшей в воздухе. «Движение ее лишь кажущееся, — говорили они. — В действительности, полет стрелы — простая смена ее покойных состояний». (Для нас их картина мира похожа на кинопленку с кадрами.)

Другие резко возражали. В отличие от первых, они были убеждены, что в природе ничто и никогда не повторяется. Даже мертвая скала представлялась им воплощением потока. «Панта реи (по-древнегречески „все течет“), — говорили они, — все течет, все изменяется и нельзя в одну и ту же реку вступить дважды» (вода будет другая, стало быть, река уже не та).

Кто же вышел победителем в этом споре? Замечательнее всего то, что проигравших не было. Выяснилось, что правы и первые и вторые.

Прошли века, и люди убедились, что все в природе как бы соткано из противоречий. Движение и покой, постоянство и перемены, одно и разное оказались двумя равноправными сторонами действительности.

Куда бы мы ни обратили взор, мы видим эту двойственность.

Мы дышим и с каждым вдохом втягиваем в себя с воздухом 40 миллиардов миллиардов атомов аргона; через мгновение мы выдыхаем те же самые 40 миллиардов миллиардов атомов: аргон инертен и не вступает ни в какие соединения. Мы дышим теми же аргоновыми атомами, которыми дышали Цезарь и Петр Великий и будут через сотни лет дышать наши дальние потомки. «Одно» сосуществует с «разным».

Метагалактика, иначе вся обозримая астрономически часть Вселенной (сегодня для радиотелескопов это означает протяженность примерно в 10 миллиардов световых лет), состоит из единицы с 82 нулями (записывается: 1082) простейших частиц: протонов, нейтронов и электронов. Это «одно»: ни одна частица к этой массе не прибавилась, возникнув из ничего, ни одна бесследно не исчезла. Но во Вселенной происходят катастрофы, рождаются и умирают звезды и другие небесные тела. Это — «разное», прекрасно уживающееся с «одним».

Кстати, нам не впервые встречается число с большим количеством нулей. Будут попадаться и такие числа, где впереди стоит не единица, а также — где нули группируются в знаменателе. Договоримся, как будем иногда записывать такие числа. Удобнее всего делать так, как сделали только что: не писать все нули, а их количество указывать в показателе степени у десятки. Это значит, что 102 есть сто, 103 — тысяча, 106 — миллион, 109 — миллиард, 1012 — триллион и т. д. Когда речь идет об очень маленьком, дробном числе и нули нужны в знаменателе, будем писать ту же десятку, но перед показателем степени ставить минус: 10-2 значит одна сотая, 10-6 — одна миллионная и т. д.

Наивысший искусственный вакуум имеет плотность 10-19 г/см3 — единица, деленная на единицу с 19 нулями граммов в кубическом сантиметре; плотность межгалактической среды 10-30 г/см3 — единица, деленная на единицу с 30 нулями, и т. д.

Число, отличное от десятки и начинающее все выражение, ставится перед десяткой. Плотность ядерного вещества 2·1014 г/см3 — двести триллионов граммов, или двести миллиардов килограммов, в одном кубическом сантиметре. Приблизительный возраст земной коры 5·109 — пять миллиардов лет; скорость света — 3·1010 см/сек, и т. д. Это куда короче и изящнее, чем писать: 30 000 000 000 — тридцать миллиардов см/сек.

Еще один пример. В водородной бомбе средней мощности энергии примерно столько же, сколько ее выделил во время самого большого из зарегистрированных на Земле извержений вулкан Кракатау в Тихом океане в 1883 году[2]. Такого количества энергии достаточно, чтобы перенести самый высокий в мире дом — Эмпайр стейт билдинг — из Нью-Йорка на Марс. «Одно» и «разное» в этом случае — два направления заданной возможности: первая — повторить на гóре людям извержение Кракатау, вторая — произвести полезную работу титанических масштабов (конечно, более осмысленную, чем бросок небоскреба на соседнюю планету).

От двойственности природы — две группы законов физики. Законы сохранения показывают, какие свойства или принадлежности тел не изменяются: не исчезают и не возникают вновь. Таковы, в частности, законы сохранения энергии и массы, электрического заряда, количества так называемых тяжелых частиц (протонов, нейтронов и гиперонов), входящих в состав всех атомов или насыщающих пространство.

Другая группа законов — все прочие законы, показывающие, как именно ведут себя тела, как движутся и изменяются под воздействием других тел и сил. К ним относятся законы движения Ньютона, закон всемирного тяготения, закон деформации Гука, законы электромагнитного поля Максвелла и некоторые другие.

Великолепно это сочетание постоянства и перемен! Извечное как бы смиряет разгул стихий, отмеренность — узда на необузданном. Все полетело бы вверх тормашками, все кончилось бы, исчезни хоть ненадолго существующее в природе равновесие!

Есть в физике понятие: слабые взаимодействия. Так называются силы, с которыми действуют одна на другую мельчайшие частицы материи. Это как страшная болезнь. Не будь слабым взаимодействиям какого-то противовеса, они менее чем за тысячную часть секунды превратили бы все вещество (мира в легчайшие частицы — нейтрино и электроны.

К счастью, противовес им есть: он называется законом сохранения тяжелых частиц. Поэтому, хотя распад одних тяжелых частиц с испусканием электронов и нейтрино и происходит, но только так, что одновременно — в процессе этого же распада — появляются другие, новые тяжелые частицы. И этих новых частиц как раз столько же, сколько исчезло старых.

Второй пример полезной двойственности природы. Мы ездим в поездах, летаем на самолетах… Какому закону физики обязаны мы тем, что можем пользоваться всем этим? Ответ, напрашивающийся сам собой: конечно же, закону сохранения энергии — закону количественного постоянства физического движения при его переходах и превращениях; например, тепловое или химическое движение превращается в механическое, в силу чего вращаются колеса или пропеллер. Но этот ответ неполон. В такой же степени обязаны мы еще одному закону — закону движения: «второму закону термодинамики». Он показывает направление перехода движения — от горячих тел к менее горячим; действие его тоже обязательно, чтобы работал двигатель.

И жизнь человека оборвалась бы, и во всей Вселенной наступил бы хаос, если бы воцарились одни какие-нибудь законы: сохранения или движения.

Истинность предметных представлений

Обычно физику начинают изучать с механики — старейшего ее раздела — и тем как бы подготовляют сознание ученика к восприятию более сложных разделов физики.

Считают, что механика — наука о движении тел и о силах, заставляющих их двигаться, — особенно проста благодаря «самоочевидности» своих истин.

Между тем механика не легче и не труднее других разделов физики. Есть в ней, конечно, утверждения, запоминающиеся сразу, но есть и тонкости, требующие раздумья.

Механика просто как-то ближе и роднее человеку. Она связана с телами и явлениями его практики. Ее законы человек увидел и познал на опыте раньше других законов физики.

Не то чтобы каких-либо зачатков науки, возможно, четырех-пяти десятков слов не знал наш далекий предок, когда в его зародышевом сознании возникли вполне четкие представления о движении. Он всматривался в мир и видел: все в вечных переменах, в постоянном стремлении куда-то. Река не спеша несет свои воды, ветер шевелит листву, а лесной пожар гонит перепуганных зверей из нор и дупел.

Восхищенными или наполненными ужасом глазами смотрел древний человек на перемещение тел в окружающем ландшафте, на череду событий. Все его учило. Преследуя оленя или спасаясь от клыков разъяренного кабана, человек мог оценить не только острожизненное значение движения, но и силу своих первых знаний, первых навыков по управлению движением.