Дао физики

Ньютоновская механика переживала колоссальный успех в XVIII–XIX вв. Сам Ньютон при помощи своей теории объяснил движение планет и основные свойства Солнечной системы. Но его модель была сильно упрощенной и не учитывала, например, гравитационное воздействие планет друг на друга. Из-за этого Ньютон обнаружил в ней несообразности, которые сам не мог объяснить. Он решил проблему, предположив, что Бог всегда присутствует во Вселенной, чтобы исправлять нестыковки.

Великий математик Лаплас поставил перед собой амбициозную задачу уточнить и усовершенствовать вычисления Ньютона «и предложить окончательное решение проблемы механики Солнечной системы и настолько приблизить теорию к наблюдениям, чтобы в астрономических таблицах не осталось места эмпирическим вычислениям»[50]. Результатом стала большая работа в пяти томах, «Небесная механика». Лаплас в мельчайших деталях описал движение планет, их спутников и комет, причины приливов и других гравитационных явлений. Он показал, что из ньютоновских законов движения следует стабильность Солнечной системы, а Вселенная — саморегулирующийся механизм. Когда Лаплас продемонстрировал Наполеону первое издание своей книги, тот, по рассказам очевидцев, заметил: «Мсье Лаплас, мне сказали, что этот грандиозный труд об устройстве Вселенной не содержит ни одного упоминания о Творце». На что Лаплас резко ответил: «Я не нуждался в этой гипотезе».

Вдохновленные успехом ньютоновской механики в астрономии, физики использовали ее для описания непрерывного течения жидкостей и колебаний упругих тел и вновь добились хороших результатов. Даже кинетическая теория теплоты получила механистическое обоснование: теплота — энергия, порожденная сложным хаотическим движением молекул вещества. Так, при повышении температуры воды подвижность молекул растет, пока они не преодолевают сил взаимного притяжения и не разделяются. При этом вода превращается в пар. А при охлаждении движение молекул замедляется, между ними возникает более тесная связь, они соединяются в новую, более жесткую и неподвижную структуру, и образуется лед. Так же чисто механически можно объяснить множество других тепловых явлений (рис. 2).

Рис. 2. Три состояния воды

Триумф механистической модели Ньютона в начале XIX в. убедил физиков в том, что ее законы управляют движением всей Вселенной и лежат в основе законов природы, а явления природы не могут иметь другого объяснения. Но по прошествии менее 100 лет стало очевидно, что ньютоновская модель не может объяснить новые физические открытия, а ее законы не всегда верны.

Это понимание пришло к ученым не внезапно, а было подготовлено открытиями, состоявшимися еще в XIX в. и создавшими почву для недавней научной революции. Всё началось с открытия и исследования явлений электричества и магнетизма, которые не допускали механического толкования, свидетельствуя о существовании новых, неизвестных до того сил. Важный шаг сделали Майкл Фарадей и Клерк Максвелл — первый был одним из величайших экспериментаторов в истории науки, а второй — блестящим теоретиком. Когда Фарадей поднес к медной катушке магнит и вызвал в ней электрический ток, преобразовав тем самым механическую работу в электрическую энергию, он создал великий поворотный момент в истории науки. Этот фундаментальный эксперимент, с одной стороны, дал рождение электротехнике, а с другой — стал основой для теоретических размышлений Фарадея и Максвелла, плодом которых стала теория электромагнетизма. Фарадей и Максвелл не только исследовали действие сил электричества и магнетизма. Прежде всего они занялись самой их природой. Они заменяли понятие «силы» понятием «силового поля» и первыми вышли за пределы физики Ньютона.

Фарадей и Максвелл отрицали, что положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу точно так же, как два тела в ньютоновской механике. Они утверждали, что каждый заряд создает вокруг себя особое «возбуждение», или «состояние», и противоположный заряд, находящийся поблизости, испытывает их воздействие. Состояние пространства, способное порождать силу, было названо полем. Поле создается каждым зарядом независимо от присутствия иного заряда, способного испытать его воздействие.

Это открытие в корне изменило наше представление о физическом мире. В ньютоновской модели силы непосредственно связаны с телами, на которые они воздействуют. Теперь же место понятия «силы» заняло более сложное понятие «поля», которое существует само по себе и не имеет отношения к материальным телам. Кульминацией этой теории, получившей название электродинамики, было понимание того, что сам свет — переменное электромагнитное поле высокой частоты, движущееся в пространстве в виде волн. Мы теперь знаем, что и радиоволны, и волны видимого света, и рентгеновские лучи — электромагнитные волны, колеблющиеся магнитное и электрическое поля, различающиеся только частотой колебаний, а видимый свет — незначительная часть электромагнитного спектра (рис. 3).

Рис. 3. Спектр электромагнитного излучения