Оригинално заглавие:
Helmut Lindner, Das Bild der modernen Physik
2. Auflage Urania-Verlag Leipzig - Jena - Berlin 1975
*
Перевод с немецкого канд. физ.-мат. наук Ю. Г. Рудого
Предисловие д-ра физ.-мат. наук проф. Н. В. Мицкевича
**
АННОТАЦИЯ
Книга Г. Линднера знакомит читателя с основами квантовой физики, миром атомного ядра и элементарных частиц, теорией относительности и новейшими проблемами современной физики.Живой и образный язык, яркие выразительные иллюстрации, отсутствие сложных математических расчетов делают книгу интересной для самого широкого круга читателей: школьников, студентов младших курсов, преподавателей и всех тех, кто интересуется проблемами современного естествознания.
***
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предваряя книгу 5
I. Движение и силы 11
II. Относительность 30
III. Теплота и вероятность 58
IV. Заряды и поля 86
V. Кванты и атомы 109
VI. Структура вещества 144
VII. Радиоактивность 177
VIII. Ядерные силы и ядерная энергия 210
IX. Элементарные частицы 237
Рекомендуемая литература 271
****
Предваряя книгу...
В книге, которую вы, читатель, держите в своих руках, не одни только картинки, но и настоящих формул в ней нет. А картину современной физики одними картинками передать невозможно. Поэтому автор должен был очень многое сказать словами: ведь он обращается к читателю, не привыкшему говорить на математическом языке, подлинном языке физики. Если читатель заинтересуется этой наукой, то рано или поздно он овладеет и ее языком. Но для этого прежде всего нужен интерес, нужна, как говорится, охота. Слова же и картинки должны помочь вам обрести эту «охоту», и такая «приманка» — не обман, ибо настоящее, глубокое знакомство с физикой неизбежно оправдает себя, принесет и удовлетворение, и ту вечную неудовлетворенность, которая неразлучна с поиском.
Физика — безграничная наука, и поиск в ней никогда не прекращается. Книга Гельмута Линднера лишь слегка приоткрывает завесу над удивительными явлениями и законами этой науки. В одной книге о физике невозможно рассказать «все», и не существует ни одного многотомного курса, в котором удалось бы поставить даже не точку, а хотя бы точку с запятой в изложении физики; и уж если это так, то пытаться охватить все в небольшом предисловии — затея безнадежная!
Но все же предисловие перед вами. В нем мы коснемся как самой книги, так и отдельных физических закономерностей, наиболее выпукло и зримо выражающих специфику современных физических представлений. Заодно порекомендуем и дополнительную литературу, ибо сам автор не воспользовался такой возможностью.
Что же такое физика и чем занимаются связанные с ней люди? Конечно, они едят, спят, но «между делом» ставят эксперименты и формулируют теории, причем чаще всего те, кто ставит эксперименты, е очень жалуют теоретиков, а последние в свою очередь косятся на экспериментаторов и нередко заявляют, что если эксперимент не согласуется с теорией, то тем хуже для эксперимента. Это, конечно, шутка, но факт остается фактом: физики делятся на два больших лагеря — экспериментаторов и теоретиков. Из опыта, эксперимента, мы черпаем крохи наших знаний и опытом же проверяем теоретические заключения и догадки. Однако без теории нам просто нечего было бы ни проверять, ни применять на практике.
Теория — своего рода мозг физики, как, впрочем, и любой другой науки. Ее задача — кратко и ясно записать (сформулировать) то, что продиктовал эксперимент, и сделать это так, чтобы сразу стали видны все следствия, чтобы быйо понятно, каких деталей недостает, какие новые опыты необходимы. Теоретик подобен следователю — он также раскрывает запутанные тайны по мельчайшим намекам, по стертым следам. Однако «оставляет» эти следы только эксперимент...
И еще несколько слов о теории. Казалось бы, есть две-три экспериментальные точки на графике — проведи через них прямую или ломаную (что получится) и делу конец: «теория» готова, а дальше проверяй, лягут ли новые точки на полученную линию. А не лягут — пририсуй к линии новые изломы и т. д. Когда-то так и было. Вспомним представления о движении планет до Коперника — системы-Птолемея и Гиппарха. Правда, там были не прямые, а окружности, и не зазубрины ломаных линий, а новые кружочки, посаженные на эти окружности, — эпициклы. И если теория не согласовалась с наблюдениями, добавлялся новый эпицикл, и все было в порядке! Может быть, такая «теория» нам и нужна, ведь она неопровержима — должным подбором эпициклов ее без труда можно подогнать под любые результаты наблюдений движения небесных тел. Но именно это в ней и плохо. Истинная теория должна быть уязвима1. Ее достоинство не в том, что ее в последний момент можно подогнать под имеющиеся факты, а в том, что в ней, как в хорошем часовом механизме, все колесики на своих местах — стоит переставить хоть два из них, остановится вся сложная машина, и потребуется не просто ремесло, а подлинное искусство, чтобы отыскать причину поломки. И в этом, а не в бесконечном хлопотливом и неинтересном ремонте заключается действительный процесс познания, ибо каждая «поломка» — открытие качественно нового и глубоко содержательного закона природы, требующее его осмысления и приведения в соответствие со всем стройным комплексом наших знаний. Сам факт возможности такого построения и развития науки знаменует что-то совершенно особенное в природе, великую гармонию ее частей, целостность, при которой деление на части — условность, вызванная нашим собственным несовершенством.
Итак, подлинное научное открытие — это качественно новый шаг в процессе познания. Но что такое — новый? И что такое — «познать»? Свести к уже известному? А если можно «свести», то в чем же качественная новизна? История физики показывает, что по-настоящему новые факты не сводятся к следствиям старых законов. Познать, объяснить — значит найти связи между фактами, установить систему, но не свести все к старым связям. А раз так, то «понимание» нового приходит к нам через знакомство с ним, привычку к нему, через признание факта. Мы привыкли, что в законах «старой», ньютоновской физики все просто и привычно (в нашем житейском представлении), что эти законы полновластно царят вокруг нас. И вдруг — теория относительности. Нам заявляют: скорость света всегда постоянна, как бы ни двигались источник света или наблюдатель. И возникает новая, релятивистская физика. Мы делаем вид, что приняли тезис теории относительности, и в то же время прикидываем: что, если вместо световых пускать звуковые сигналы? И некоторые начинают писать «релятивистские» формулы движения со скоростью звука. На деле же выходит конфуз. Подобное происходит и с квантовой механикой. Мы пробуем подходить к качественно новой физике со старыми негодными мерками, и это — не от злого умысла, а по первоначальному непониманию, по привычному доверию к старой, испытанной теории, у которой вдруг неизвестно почему, отскочило какое-то колесико, и мы силимся поставить его на место, не разобравшись в истинных причинах аварии.
Шутки шутками, но как часто еще сталкиваемся мы с подобным непониманием. Не будем сетовать на факты и на новую теорию, если что-то оказалось непонятным или даже невероятным с первого взгляда! На самом деле такая непонятность — только кажущаяся, ибо каждый новый этап нашего познания характеризуется более высокой степенью согласованности, внутренней логики, и это, несомненно, помогает нам привыкнуть к новой системе фактов, то есть понять физику на новом этапе ее развития.
И теория относительности именно такова, как она есть, не потому, что свет распространяется с одной и той же для всех наблюдателей скоростью. Напротив, это свойство света — всего лишь отражение простой и естественной структуры пространства и времени, в которых свету «на роду написано» распространяться. Дело в том, что пространство и время представляют собой единое целое (ученые так и говорят: пространство-время). Любой объект (возьмем для простоты материальную точку) изображается в пространстве-времени своей мировой линией (то есть он не просто существует в какое-то мгновение, а продолжает существовать в течение некоторого времени). Со своей собственной «точки зрения» этот объект имеет какое-то определенное место в пространстве, так как относительно самого себя он покоится. Следовательно, его мировая линия в его же системе отсчета — это последовательное изображение во времени одной и той же неподвижной точки. Проведя к этой линии перпендикуляр, мы найдем тем самым все другие точки пространства, «существующие» в тот же самый момент времени. Здесь следует учесть, что геометрия пространства-времени не совсем похожа на геометрию обычного «школьного» евклидова пространства, но, как конкретно строить перпендикуляр, для нас в данном случае деталь. Важно, что все пространство, отнесенное к какому-то данному моменту времени, — это просто определенное сечение четырехмерного пространства-времени, нечто вроде поверхности в нем, только в этой, как принято говорить, гиперповерхности не два измерения, как обычно, а три.
Кстати, органическая связь между пространством и временем выражается еще и в том, что любой наблюдатель в каждый данный момент видит вокруг себя не просто пространство, а его «смесь» со временем — ведь приходящий к нему свет должен был затратить время, чтобы дойти к наблюдателю от данного предмета, и чем дальше находится этот предмет, тем больше времени требуется свету на «путешествие». Получается некий сферический слоеный пирог из пространственных оболочек, взятых в разные моменты з ремени. Такой «пирог» ученые называют световым конусом. И если бы свет распространялся медленнее, нам было бы более привычно говорить не о точках странства, отнесенных к одному и тому же моменту («гиперповерхность од-зременности»), а о световом конусе с :-ершиной в точке наблюдения. Однако гиперповерхность одновременности.
Очень важное понятие в современной тео-рни относительности, и тот факт, что эта грповерхность своя для каждого по-гзеему движущегося наблюдателя, как раз характеризует относительность про-.нства и времени, взятых порознь. Возьмем еще один пример, на сей раз из пей теории относительности». Это - общение частной (или специально) относительности на случай, когда moжно учитывать действие тяготения, гра-г-нтаиии. Много говорят о «загадочности» гравитации. Однако если не считать «тематических трудностей в исследова-: уравнений гравитационного поля, в загадок в гравитации не больше, чем > электричестве и магнетизме. Вернее, - г здесь, ни там загадок нет — есть про-" темы и широкое поле для научного т: иска и исследований. Теоретики просто работают и думают, а не «гадают», когда тело касается этих важных областей фи-ляи. И все-таки в гравитации и в самом деле что-то есть! Подумайте только: она представляет собой наиболее универсальное взаимодействие (все тела, даже свет, притягиваются друг к другу сообразно своей массе или энергии). В общей теории относительности гравитация описывается теми же характеристиками, что и пространство-время, которое тоже универсально (все существует в пространстве и развивается во времени; философы говорят о «всеобщей форме существования материи»). Более того, масса как источник гравитационного поля, известный еще со времен Ньютона, вместе с импульсом (в этой роли его «добавила» к массе теория Эйнштейна) самим своим существованием обязаны некоторым свойствам пространства-времени. Есть такая теорема Нётер (по имени немецкого ученого Эмми Нётер из Гёттингена, сделавшей интересные открытия на границе между математикой и физикой в начале нашего века), в которой доказывается их связь. Как видите, гравитация и пространство-время завязаны в прочный единый узел. И понимание этого факта можно скорее назвать одним из завоеваний физической науки.
Мы упомянули здесь теорему Нётер. Эта замечательная теорема утверждает, что существование любой конкретной симметрии — будь то в пространстве-времени или в других характеристиках материи (мы говорим о внешних и внутренних степенях свободы элементарных частиц и физических полей) — приводит к соответствующему закону сохранения, причем из этой же теоремы следует и конкретная структура данной сохраняющейся величины. Так можно исследовать энергию (массу), импульс, момент импульса, электрический заряд и другие величины, подчиняющиеся законам сохранения. Вообще в числе самых основных, коренных свойств физических систем нужно назвать свойства симметрии. Ббльшая часть теории элементарных частиц построена на анализе именно этих свойств. Понятия частицы и античастицы, идеи, связанные с проблемами четности, обратимости времени, и многое другое — в основе всего этого лежат представления о симметрии, о математической формулировке конкретных симметрий. В этом смысле современная физика встала на путь, по которому уже давно идет геометрия. Только в физике симметрии, пожалуй, «работают» еще интенсивнее.
Симметрии мы можем наблюдать повсюду: и в окружающем нас материальном мире и, например, в искусстве стихосложения. В средние века в Европе были распространены трубадуры — поэты и музыканты, певцы, проводившие строго регламентированные состязания, складывавшиеся почти что в ритуал. В частности, трубадуры создали очень жесткую стихотворную форму — секстину. Особенность этой стихотворной формы состоит в том, что она включает шесть строф, каждая из которых в свою очередь содержит шесть строк; отсюда и ее название — секстина, причем из строфы в строфу без всякого изменения перекочевывают одни и те же рифмующиеся слова. Но расположение их меняется, и в законе этой перестановки заключается суть симметрии секстины. Если обозначить рифмующиеся слова (последние слова строк) первой строфы как 1, 2, 3, 4, 5, 6, то во второй строфе они расположатся в новом порядке: 6, Г, 5, 2, 4, 3. Аналогичен переход от второй строфы к третьей и т. д. После шестой строфы рифмующиеся слова должны были бы снова занять те положения, которые они имели в первой строфе. Эта форма при всей ее сложности гибка и динамична. Однако здесь мы говорим о ней лишь как о примере симметрии, отнюдь не чуждой физике. Наиболее близки к секстине кристаллографические симметрии; самым емким и удобным языком для выражения симметрий оказался язык теории групп, разработанный в современной математике.
В книге Е. Линднера «Картины современной физики» вы найдете много интересных сопоставлений, ярких образов, отражающих различные закономерности современной физики. Следует, однако, отметить, что автор склонен к некоторому преувеличению роли технических приложений науки. Вряд ли стоит сомневаться в том, что эта роль Огромна, но она не может затмить значения теории. Бесспорно, наука (и, разумеется, не только физика, но и математика, химия, биология и т. д.) в наши дни стала одной из главных производительных сил общества, и с каждым днем эта ее роль будет заметнее. Однако наука прекрасна еще и тем, что она много выше сиюминутных потребностей человека: она определяет развитие всей эпохи! Физик прежде всего видит в своей науке не кормушку и не сухую основу для техники и технологии, а поэзию. Да-да, именно поэзию, ответ на вызов со стороны самого достойного соперника — истинно гениальной Природы. Ум исследователя волнует сама возможность великого поиска. И если на карте нашей планеты почти исчезли белые пятна, то на карте познания в физике они встречаются всюду — были, есть и всегда будут бурно развивающиеся фронты науки, и каждое принципиальное продвижение на этих фронтах неизменно вызывает переоценку общетеоретических ценностей во всей физике, ломку и переосмысление самих фундаментальных представлений. Трудно (да едва ли и нужно) передать словами чувства волнения и восторга, которые охватывают исследователя при первом же соприкосновении с тем новым и сокровенным, что составляет суть его творчества.
Ум исследователя... Мы говорили здесь о науке, о ее законах, о ее языке, но лишь вскользь коснулись ее людей. Кто они, люди науки? Они столь же различны, как случайные пассажиры в вагоне метро. Было бы ошибкой думать, что все они — виртуозы мысли, мгновенно реагирующие на любой намек, брошенный Природой. Роль тугодумов в науке, пожалуй, не меньше, чем роль виртуозов, и если читатель, интересующийся физикой или любой другой областью знания, сомневается в себе вследствие некоторой медлительности собственной мысли, то он сделает неверный шаг, выбывая из игры лишь по этой причине. Вспомним знаменитого Пьера Кюри (кто он: физик или химик? На его наследство претендуют обе науки!). По свидетельству его жены и коллеги, не менее знаменитой Марии Склодовской-Кюри1, Пьер Кюри с детства был типичным тугодумом. Родители даже не отдали его в обычную школу и воспитывали дома, так как в школьных условиях Пьер не смог бы усвоить программу. А из него вырос великолепный исследователь, вызвавший к жизни целую эпоху в физике и химии! Вдохновение сколь разных по складу ума и темперамента людей питает один и тот же источник — наука, физика: вспомним биографии Эйнштейна, Бора, Ферми, Оппенгеймера! Кто знает, быть может, сейчас в школе получает очередную двойку по физике человек, которому мы через десятилетие будем обязаны величайшими открытиями в этой науке?!
Но вернемся к книге Г. Линднера. Она, как мы уже отмечали, естественно, не могла вместить всей физики. Поэтому ряд вопросов рассмотрен в ней бегло. Вместе с тем, читая ее, вы сможете получить достаточно яркое представление о целом, что и важно.
Очень мало сказано о теории расширяющейся Вселенной, хотя автор и ведет разговор о космологии. В 1922 г. в Петрограде А. А. Фридман теоретически показал, что законы общей теории относительности Эйнштейна требуют нестационарности (расширения или сжатия) Вселенной; к тому же выводу пришел в 1927 г. в Бельгии Ж. Леметр. Но лишь в 1929 г. это предсказание было подтверждено астрономическими наблюдениями движения далеких галактик (Э. Хаббл, обсерватория Маунт-Вилсон, США). Оказалось, что Вселенная действительно расширяется. Теория недвусмысленно указывает на существование в отдаленном прошлом (порядка 10 млрд. лет назад) совершенно особого состояния Вселенной, когда плотность и температура материи были настолько высоки, что основную роль должны были играть ядерные взаимодействия или еще менее знакомые нам силы, определяющие «внутреннюю» структуру элементарных частиц. В современных теориях это состояние математически характеризуется как «сингулярность».
Можно было бы кое-что добавить также при обсуждении эффекта Черенкова, сказать о мазерах (автор ограничился близкими по принципу действия лазерами; мазеры же представляют собой аналогичные квантовые усилители в более длинноволновой области; замечательно, что обнаружены и природные мазеры — обширные участки газовых туманностей вблизи некоторых звезд). Вам, читатель, несомненно, будет интересно узнать, что астрофизические наблюдения играют все более важную роль в современной физике, так как в рамках земных лабораторий мы не в состоянии создавать те исключительные условия — чрезвычайно высокие (или, наоборот, низкие) давления, температуры, гравитационные поля и пр., — при которых проявляются самые тонкие эффекты, предсказываемые теориями. Поэтому для проверки этих теорий часто приходится пользоваться «лабораториями», включающими целые звезды или звездные системы, если не всю Вселенную сразу! Но подробнее об этом и многом другом вы неизбежно узнаете, если окунетесь в море литературы о физике и причастных к ней людях.
А пока, еще до того, как вы войдете в обычную физическую лабораторию, мы рекомендуем вам прочитать эту превосходно иллюстрированную книгу и попробовать разглядеть за цветными картинками праздничную прозу науки.
Н. Мицкевич
