Александр Китайгородский - Физика – моя профессия
Я остановился лишь на выводе теории, касающемся промежутков времени. Но столь же строго из основных постулатов теории относительности следовали и другие революционные выводы. Среди них – заключение о возрастании массы частицы с увеличением скорости ее движения и заключение об эквивалентности энергии и массы.
Проще всего было подтвердить на эксперименте возрастание массы частиц. Это уже давно было проделано для электронов. Проверка же закона эквивалентности стала возможной, когда физики занялись ядерными превращениями и уравнение Эйнштейна легло в основу всех расчетов ядерных реакций. В последнюю очередь стала возможной в лабораторных условиях непосредственная проверка сокращения интервала времени для движущейся частицы.
Впрочем, уже много лет никто (за редчайшими исключениями) из физиков не смотрит на эти эксперименты, как на проверку теории. Она получила безоговорочное признание, стала основой будничной работы физиков.
Но значение теории относительности для физики выходило за рамки открытия нового закона природы. Она повлекла за собой постепенное изменение психологии исследователей, работающих в области естествознания. Физики стали крайне осторожно относиться к заверениям здравого смысла. Они начали приучаться ощупывать со всех сторон каждую фразу, претендующую на объективное значение. Они стали бояться слов, пустых слов, под которыми нет ничего. Прочувствовали необходимость удаления из науки даже ничтожных следов аристотелевой атмосферы.
На примере с парадоксом времени физики поняли, что любое понятие, фигурирующее в их уравнениях, должно либо отвечать на вопрос: «А как его измерить?», либо быть связанным с измеряемыми величинами функциональными зависимостями.
Если сказано, каким образом величину можно измерить или вычислить, то к этому добавить больше нечего. Природа объективна, то есть она существует помимо исследователя; а вот физические величины предложены и введены в обиход наблюдателем природы, с тем чтобы как можно лучше ее описывать.
Постепенно, хотя гораздо медленнее, чем шло развитие науки, из учебников начали устраняться пустые определения, бессодержательный набор слов, определения, которые создавали впечатление, что за словом что-то скрывается, что слово имеет внутренний, подлежащий раскрытию смысл.
– Что такое сила? – вопрошал учитель.
– Сила – это физическая величина, измеряемая по растяжению пружины, – отвечал ученик, и совсем неплохо отвечал.
– Да нет, – настаивал учитель, – вы сказали, как измерить силу. А я спрашиваю, что такое сила?
– Сила – это… это натиск, это действие, это причина движения, – мямлил ученик, вспоминая, что написано в учебнике.
– Вот это хорошо, – радовался учитель.
А хорош-то ответ первый. Остальное же – бессодержательные, пустые утверждения.
После урока, преподнесенного теорией относительности, физические построения стали неизмеримо яснее и строже. Схема физического объяснения явления получила четкие черты.
Мне несколько раз приходилось по просьбе Министерства просвещения присутствовать на экзаменах школьников по физике. Когда попадался ученик довольно сильный, я просил разрешения у учителей задать ему несколько вопросов.
– Что произойдет с медным стержнем, если его нагреть?
– Он расширится, – отвечал экзаменующийся, думая, а нет ли в этом простом вопросе подвоха.
– Почему?
– Все тела при нагревании расширяются.
– Превосходно, а почему?
Ученик задумывался.
– Атомы при нагревании движутся быстрее, в результате они как бы расталкиваются, среднее расстояние между ними растет, а значит, и размеры тела возрастут.
– Великолепно, – здесь я делал небольшую паузу, – а скажите, почему атомы движутся быстрее при нагревании?
Замешательство. Молчание. Ученик бросает беспомощные взгляды на учителя, во взоре безмолвный упрек: «Ты же нам про это не говорил». Учитель тоже выбит из седла и духмает: «Принесла тебя нелегкая с каверзным вопросом – почему атомы движутся быстрее! А кто же его знает, почему».
И только один ученик из десяти, недоуменно пожав плечами, отвечал:
– Да ведь убыстрение движения частиц с температурой – это основной закон природы.
Правильно, дорогой! Только этого я от тебя и хотел. Ты правильно понял, что физическая схема объяснения явления заключается в сведении частного к общему, в логическом показе, что данное явление есть частный случай общего закона природы. А общий закон природы – это сегодняшний потолок объяснения. Общий закон природы потому так и называется, что его неоткуда вывести. А раз неоткуда вывести, значит нельзя объяснить. Разумеется, такое положение дел может быть временным, потолок объяснения по мере развития науки имеет тенденцию к возвышению. То, что сегодня выглядит общим законом природы, через несколько лет может оказаться следствием открытого еще более общего закона природы, для которого старый закон – лишь частный случай. Так было с законами движения Ньютона. После открытия Эйнштейна мы смотрим на уравнения Ньютона как на частный случай законов движения при малых скоростях.
Беспримерное свершение Эйнштейна привело и к более глубокому пониманию роли теории в естествознании. Если бы мы ранее спросили физика о том, какова цель теории, то скорее всего он ответил бы, что цель теории – это «выяснить природу явления, получить картину явления, выяснить его механизм, получить наглядное представление о явлении». Я думаю, что сегодня мы услышим этот туманный ответ от меньшинства. На подобный вопрос последует теперь более четкий и, если хотите, более гордый ответ: «Цель теории – предсказывать явления».
Наглядность, модельность представлений о природе, столь высоко ценившаяся в XIX веке, когда физики старались изобразить на бумаге вихревые движения невидимого эфира, «объясняющие» природу света и электричества, оказалась несостоятельной. Теория относительности не предложила вместо похороненного ею эфира новой механической модели, и тем не менее сила и мощь теории были бесспорны – она позволила предугадать ряд важнейших явлений, о возможности наблюдения которых тогда не имели еще ни малейшего представления.
Вдумайтесь в это. Разве это не великолепно, что человеческий разум исключает элемент неожиданности, позволяет предвидеть исход несвершившихся событий! Разве это не та мощь, которая приписывается религией лишь божественной силе! Нет другой цели у естествознания в его стремлении к познанию мира, кроме как предвидение будущего.
Но не одна теория относительности создавала современное физическое мышление. Огромную роль сыграли также потрясающие открытия в мире атомов.
Капитуляция
Глава 8
…где рассказывается о том, как был окончательно посрамлен «здравый смысл» в результате открытия закона движения электронов.
Вопрос: «Что там внутри?» – ребенок пытается решить, разламывая пополам любимую игрушку. Очевидно, этот интерес сохраняется у человека на всю жизнь. Так по крайней мере пытаюсь я объяснить сравнительно высокую любознательность, которую проявляет широкая публика к структуре вещества.
– Скажите, из чего состоит молекула? Да, да, из атомов, вспоминаю. Ну, а вот молекула воды, как она построена, можно узнать?
– Пожалуйста, посмотрите на рисунок. Атом кислорода в центре, а два атома водорода – по бокам.
– Замечательно, а главное, как просто, и наука сумела установить, что три атома не лежат на одной прямой. Я теперь совершенно ясно представляю, как построена молекула воды. А атом из чего состоит?..
К началу XX века физики остановились на модели строения атома, предложенной Резерфордом. Атом состоит из положительно заряженного электричеством крошечного ядра, которое находится в центре атома, а вокруг него вращаются электроны в количестве, как раз соответствующем порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.
– Скажите, как просто, – умилялись читатели журналов того времени. – Напоминает планетную систему.
Разламывание частичек вещества продолжалось. Добрались физики и до атомного ядра. Оно оказалось построенным из нейтронов и протонов.
– Потрясающе, – изумлялись читатели. – А разрешите узнать, ядро тоже что-то вроде планетной системы?
– Нет, нет, – отвечали физики. – Ядро вы можете себе представить… ну, скажем, как горошинки в блюдце. Понятно?
– Ну, конечно. Это же так просто, – восхищался читатель, – все совершенно ясно.
Беспрерывно увеличивая мощности своих приборов, физики продолжали сталкивать частицы между собой, изучая их превращения. К середине нашего столетия накопилось уже достаточно опытных данных, чтобы можно было ответить на настойчивые вопросы любителей науки.
– А протон и нейтрон из чего построены?
– Установлено, – отвечали физики, – что протон превращается в нейтрон и позитрон.
– Очень интересно, значит протон состоит из нейтрона и позитрона?
