Вся физика в 15 уравнениях - Бруно Мансулье
У истоков современной физики стоит несколько независимо открытых отдельных законов: закон Ампера, закон Ленца и др., каждый из которых описывает какое-то одно из электромагнитных явлений. Сила и красота уравнений Максвелла состоят в том, что эти законы были объединены в систему, которая применяется ко всем электрическим и магнитным явлениям. Они придали полный смысл абстрактному понятию «поле», о чем мы говорили в предыдущей главе. Напомню, что поле — это некая математическая абстракция, обозначающая физическую величину, принимающую одно или несколько значений в каждой точке пространства.
Возьмем, к примеру, электрическое поле: оно может быть создано электрическим зарядом, и в некотором смысле оно представляет влияние этого заряда в том или ином месте пространства.
Творческие уравнения
Понимание этих уравнений требует основательного знания математики. Нужно быть знакомым с понятиями дифференциала поля по времени и по пространству, дивергенции или циркуляции, скрывающейся за символом
, или «набла». В любом случае эти уравнения весьма изящны, так как они одновременно выражают геометрические свойства полей и их превращение друг в друга, когда подвергаются изменениям во времени.Практическое применение таких отдельных законов, как закон индукции, законы, связывающие заряды и токи, мы можем встретить повсеместно: в электростатических приборах, в виде электромагнитов в генераторах, электродвигателях и т. д. Но уравнения Максвелла являются для меня первым примером творческих уравнений: они содержат намного больше того, для чего были написаны. Действительно, прямым следствием этих уравнений оказываются электромагнитные волны, о которых во времена Максвелла не было известно ничего и которые были открыты гораздо позже. От радиоволн до ультрафиолета, включая микроволны и видимый свет, их распространение подчиняется уравнениям Максвелла. Связь электромагнитных волн с зарядами и электрическими токами позволила открыть ионосферу и четвертое состояние вещества — плазму, а также создать радиопередатчики и радиоприемники (включая современные смартфоны), радары и поляризованные фильтры и многое другое.
Библия электромагнетизма
Короче говоря, эти уравнения изящны и, я бы сказал, даже полезны. У меня они вызывают чувство преклонения, во-первых, из-за их статуса интеллектуального памятника, а во-вторых, из-за впечатляющего внешнего вида: четыре уравнения, как четыре фасада храма, исписанных загадочными иероглифами д и символами
, украшающими фризы и капители. Я помню волнующее ощущение от посвящения в электромагнетизм, как если бы это была религия, с уравнениями Максвелла, воздвигнутыми как столпы Хаммурапи.И погружение в культ: сначала даются легкие упражнения, где мы применяем уравнения в самых простых случаях, например чтобы вывести законы Ампера или Ленца. Это элементарно. Затем идут более сложные задачи, реализующие всю мощь этих уравнений, требующие более сложного взаимодействия каждого из их членов…
И конечно, у этой религии была своя Книга: «Классическая электродинамика» Джона Дэвида Джексона. Впервые изданная в 1962 г., а затем переизданная дважды с добавлением новых глав и упражнений, она стала библией электромагнетизма. Тем более что этот классический учебник содержит основы электричества (Ветхий Завет), возвышение посвященных (Новый Завет — уравнения Максвелла) и даже многие эзотерические разработки для секты просветленных (Каббала).
«Классическая электродинамика» ни в коей мере не является простой книгой для чтения. Она предназначена для смелых студентов/монахов, которые готовы потратить массу времени и сил для изучения электромагнетизма. Еще до начала погружения в электрическую пучину надо преодолеть дополнительный защитный вал, потому что вместо привычной со школы международной системы единиц (система с такими единицами измерения, как метр, секунда, ампер, вольт) в этой книге используется «устаревшая» система единиц Гаусса (обозначается «СГС» — от сантиметр, грамм, секунда). В гауссовой системе единиц вид уравнений Максвелла немного отличается от их же вида в системе СИ[20].
В более поздних изданиях появилась страница с таблицей перевода величин из одной системы единиц в другую. По своему опыту скажу, что эта таблица преобразования — всего лишь еще одно испытание, очень похожее на тонзуру неофита. Получив в результате расчета магнитного поля, создаваемого батареей фонарика в катушке из трех витков медного провода, величину, многократно превышающую магнитное поле вращающейся черной дыры, человек внезапно становится скромнее.
В конце каждой главы Джексоном были добавлены поучительные задачи. Согласно легендам, некоторым сверхлюдям удалось решить их все. Я предполагаю, для того чтобы узнать друг друга, они используют секретный знак, например каким-то особым способом загибают пальцы во время рукопожатия или тайно обмениваются паролями во время тривиального разговора. Знак, не иначе, можно обнаружить при завершении ужасного решения последней задачи в одной из глав. Или, может быть, предпоследней: было бы слишком легко сделать все последние. Эти задачи очень сложны… я решил далеко не все и не получил даже намека на тайное знание или посвящение в масоны. Я был знаком с некоторыми потрясающими физиками старой школы и думал: «Может быть, он или она смогли решить их все?» Но как можно спросить об этом, не обидев другого человека и не унизив себя: «А ты решил ту задачу в “Джексоне”?»
В принципе, Джексон рассматривает только классический электромагнетизм, не учитывая квантовых явлений. Поля, физические объекты и уравнения сохраняют полную строгость и чистоту уравнений Максвелла и не проваливаются в квантовое зазеркалье с нечеткими контурами и неопределенными предсказаниями. Или нет? В нескольких случаях он проникает в квантовый мир, блестяще отделяя то, что действительно квантово, от того, что таковым не является, получая некоторые результаты, которые всегда представлялись квантовыми на основе классической теории. Настоящее искусство, как разглядеть Веласкеса на картине Дали или прочесть Пушкина в романе Гоголя…
Хитрый Z 0
В 1983 г. я проходил студенческую практику, участвуя в эксперименте UA2, в котором изучались столкновения протонов и антипротонов на коллайдере SppS[21] в ЦЕРНе. Целью эксперимента UA2, так же как и конкурирующего эксперимента UA1, был поиск элементарной частицы Z0 (нейтральный бозон), существование которой было предсказано одной модной в те годы теорией[22]. Среди прочего он способен распадаться на электрон-позитронную пару, две стабильные частицы, которые могут быть идентифицированы и измерены нашими детекторами. Все, что нам оставалось, — это найти такой распад.
Неожиданно в нашем эксперименте UA2 среди множества столкновений обнаружилось событие, которое содержало электрон и позитрон… но, кроме них, сопровождалось еще и высокоэнергетическим фотоном,
