Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

• Название: Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
• Автор: Марк Перельман
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-397-02592-8

Все мы знакомы с открытиями, ставшими заметными вехами на пути понимания человеком законов окружающего мира: начиная с догадки Архимеда о величине силы, действующей на погруженное в жидкость тело, и заканчивая новейшими теориями скрытых размерностей пространства-времени.

Но как были сделаны эти открытия? Почему именно в свое время? Почему именно теми, кого мы сейчас считаем первооткрывателями? И что делать тому, кто хочет не только понять, как устроено все вокруг, но и узнать, каким путем человечество пришло к современной картине мира? Книга, которую вы держите в руках, поможет прикоснуться к тайне гениальных прозрений.

Рассказы «Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы» написаны человеком неравнодушным, любящим и знающим физику, искренне восхищающимся ее красотой. Поэтому книга не просто захватывает — она позволяет почувствовать себя посвященными в великую тайну. Вместе с автором вы будете восхищаться красотой мироздания и удивляться неожиданным озарениям, которые помогли эту красоту раскрыть.

Первая часть книги, «От Аристотеля до Николы Теслы», расскажет о пути развития науки, начиная с утверждения Аристотеля «Природа не терпит пустоты» и эпициклов Птолемея, и до гелиоцентрической системы Коперника и Галилея и великих уравнений Максвелла. Читатель проделает этот огромный путь рука об руку с гениями, жившими задолго до нас.

«От кванта до темной материи» — вторая часть книги. Она рассказывает о вещах, которые мы не можем увидеть, не можем понять с точки зрения обыденной, бытовой ЛОГИКИ' о принципе относительности, замедлении времени, квантовании энергии, принципе неопределенности, черных дырах и темной материи. История загадочной, сложной и увлекательной современной физики раскроется перед читателем.

Итак, вперед — совершать открытия вместе с гениями!

---

Теория относительности и сам Эйнштейн стали предметом поклонения и… моды. Писали, что человек не мог быть принятым в «обществе», если не был способен с умным видом поговорить о них. В Англии и Бельгии Эйнштейна поселяли в королевских дворцах, из Иерусалима ему с женой пришлось сбежать через два дня: по приказу британского генерал-губернатора просыпание ученого отмечалось по утрам артиллерийским салютом, а при выезде на автомобиле в город их пытался сопровождать эскадрон драгун.

Новые взгляды, конечно, принимались не сразу. К известной эпитафии А. Поупа на смерть Ньютона: «Был этот мир глубокой тьмой окутан. /Да будет свет! И вот явился Ньютон», — добавляли строки: «Но сатана недолго ждал реванша./ Пришел Эйнштейн — и стало все как раньше» (перевод С. Маршака).

В последующем все эти эффекты не раз проверялись со все возрастающей точностью — соответствие ОТО было полным.

Отклонение света в гравитационном поле объясняет такое интересное наблюдение. В 1960 г. были открыты мощные далекие источники электромагнитного излучения, квазары (сокращение от английского обозначения — квазизвездные источники радиоизлучения), которые, по-видимому, представляют собой активные ядра далеких галактик. Сейчас обнаружено много квазаров, но удивительно то, что среди них имеются пары (и даже одна четверка), почти абсолютно одинаковые и расположенные очень близко друг к другу. Поэтому возникло предположение (1979), что такие пары — это один квазар, излучение которого по пути к нам проходит через область мощного гравитационного поля и преломляется в нем, давая два (или даже четыре) изображения — т. е. могут существовать гравитационные «линзы».

Один их самых интересных и важных для космологии выводов ОТО состоит в том, что чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее течение времени. Этот эффект был проверен прямым методом: брались две пары одинаковых часов и одни из них поднимали на гору Плато Роза (в Италии, близ Турина) — оказалось, что часы на вершине, в более слабом поле, уходили вперед на 30 наносекунд в день (опыт неоднократно перепроверяли, согласие с ОТО было полным).

Эффект Мессбауэра, о котором мы будем говорить, позволил достаточно легко проверить и такое предсказание ОТО: если свет распространяется в гравитационном поле, то должна меняться его энергия, т. е. частота электромагнитного излучения. (Этим способом точность предсказаний ОТО проверена вплоть до величины в 0,04 %.)

Согласно принципу относительности, скорость распространения гравитационного поля не должна превышать, в своей системе отсчета, скорости света. Как же будут распространяться изменения такого поля? Естественно предположить, что такой процесс должен быть волновым.

Но зарегистрировать эти водны очень сложно: гравитационное поле во много раз слабее электромагнитного, а быстро сдвинуть большие массы невозможно. Основные надежды при этом возлагаются на анализ таких явлений, как вспышки звезд: в нескольких местах Земли в тщательно экранированных подземельях подвешены многотонные однородные болванки (гравитационные антенны) — если они одновременно «вздрогнут» во всех лабораториях на разных континентах и это явление можно будет увязать, скажем, со взрывом сверхновой или столкновением пульсаров, то станет возможным пересчитать скорость и интенсивность гравитационных волн. (Описание фактического открытия существования гравитационных волн, как и другие подтверждения предсказаний ОТО отложим до главы о космологии и астрофизики.)

Отступление II Научные школы

Ученый, ты объясняешь нам науку, но кто объяснит нам твое объяснение?

Дж. Г. Байрон

Когда-то Вильгельм Оствальд разделил всех ученых на «классиков» и «романтиков», однако, критерии, им выбранные, отнюдь не являются бесспорными. Можно придумать много иных способов распределить ученых, о которых мы рассказываем, по группам: по национальности, по социальному происхождению, по отношению к религии, по социальным или философским убеждениям, по родному языку (он как-то отражается на ментальности человека, хотя, вероятно, не в полном соответствии со штампами: основательность немецкого, артистичность итальянского, сдержанность английского, острота французского), по отношению к женщинам… Вероятно, можно использовать для анализа характера любовь или нелюбовь к музыке: страстные ее поклонники — Больцман, Планк, Эйнштейн, Гейзенберг, Л. Альварец, Фейнман, равнодушные — Бор, Резерфорд, Ферми, Ландау и др., а может быть, критерием классификации ученых способно послужить и их отношение к спорту. Можно рассуждать о скорости реакции или о скорости решения задач (как на экзаменах), но тут такое противоречие: Эйнштейн, Ферми, Ландау мгновенно выдавали ответ, а вот Планк, Бор, Паули, а еще дольше Давид Гильберт, подолгу обдумывали даже достаточно простые вопросы.

Физики иногда вдруг начинают развлекаться, почти по-детски, какой-нибудь заковыристой задачей. Так в 1976 г. во время большой международной конференции по высоким энергиям. Л.Б. Окунь решил проверить скорость решения задачи: «К стене прикреплена резиновая полоса, и по ней к свободному концу ползет улитка. Достигнет ли она этого конца, если полоску растягивать с произвольной скоростью?» Спрошенные начинали с азартом что-то вычислять, но А.Д. Сахаров ответил через несколько секунд и написал полный ответ тут же, на ресторанной салфетке: опрос сразу же утратил остроту…

Представляется, что психологически наиболее интересным является деление на две такие группы: на тех, кто смог создать научные школы, воспитать учеников, близких по научным интересам к учителю, и на тех, кто был и остался яркой, но одинокой индивидуальностью.

Практически ни одного ученика не было у Фарадея, Максвелла и Гиббса (в их случае можно, хоть и с натяжкой, говорить об отсутствии массовости в науке, о том, что неоткуда было их находить, хотя тогда же школа была у Гельмгольца). Ну а уже в XX в. одиночками оставались Планк, Эйнштейн, Шредингер, Дирак, Сахаров.

В то же время огромные школы исследователей сформировались вокруг Дж. Дж. Томсона, Э. Резерфорда, Н. Бора, М. Борна, П. Эренфеста, Э. Ферми. В России — СССР такие школы создали А. Ф. Иоффе (в первый период — с участием П.С. Эренфеста), Л.И. Мандельштам и И.Е. Тамм, Л. Д. Ландау, Н.Н. Боголюбов.

Ученые делятся и по своему отношению к научной литературе: кто-то внимательно следит за работами в своей области, широко пользуется библиотекой, а другие, если можно так выразиться, «все держат в голове».

Лев Давидович Ландау почти с самого начала научной деятельности занялся воспитанием и формированием будущих ученых. Уже с 1935 г. он последовательно создает свой «Курс теоретической физики»[16]: уникальный по объему изложения, полноте и одновременно по сжатости материала курс Ландау-Лифшица включает много новых и/или методически переработанных результатов авторов.

Примечательный пример человека, который может сам, без каких-либо книг под рукой, построить целую теорию, представляет история известного математика и механика Жана Виктора Поиселе (1788–1867): офицер армии Наполеона, он попал в 1812 г. в российский плен и провел три года в Саратове, где написал, конечно безо всяких пособий, основополагающие трактаты по проективной геометрии.

Ландау заставлял своих будущих учеников сдавать знаменитый теоретический минимум: теоретик, по его мнению, должен знать основы всех областей физики (полностью — два экзамена по математике и основные книги «Курса» — этот минимум сдали 43 человека). Первый экзамен (у любого желающего, достаточно было просто позвонить ему) он всегда принимал сам, а это был экзамен по математике: нужно было взять какие-то там интегралы, не сверхсложные. Но если претендент использовал при этом известные стандартные подстановки, то его сразу же выгоняли: Ландау считал, что человек должен думать и идти своим путем, пусть он даже длиннее, а не использовать готовые рецепты, т. е. это был экзамен на оригинальность и самостоятельность мышления.

Энрико Ферми создал две школы — в Италии до отъезда в 1938 г. и затем в США. Он всегда на семинарах и в обсуждениях вслух разбирал возникающие проблемы до конца, т. е. до выявления именно тех фундаментальных положений, которые играли роль. Поэтому решение задачи строилось затем уже на основе простейших примеров. Ну а поскольку все это проделывалось устно — тут же на доске, то ученики получали предметные примеры того, как нужно работать. Изданные черновики его подготовки к лекциям ясно показывают весь путь расчетов и размышлений: тут нет блеска Ландау, его изумительной математической техники, зато больше внимания к аналогиям, к простым примерам.

С научной литературой Ферми обходился по-иному: он читал краткую аннотацию к статье, а затем сам проводил расчет — если совпадало с результатом автора, статья считалась правильной и навсегда запоминалась, если нет — она отвергалась.