Глазами физика

Точно так же я отношусь и к новаторству в области физики. После того как эта наука сделала очередной чудесно разоблачительный шаг в прежде невидимую, туманную сферу, мы уже никогда не будем видеть мир таким, как раньше.

Многие потрясающие открытия, описанные в этой книге, на момент их совершения глубоко озадачивали и сбивали людей с толку. Если бы я заставил вас изучать математические принципы, лежащие в их основе, вам было бы действительно сложно. Но я надеюсь, что мое доступное изложение смогло показать вам, насколько некоторые из самых важных, революционных прорывов в физике захватывающи и красивы. Так же как Сезанн, Моне, Ван Гог, Пикассо, Матисс, Мондриан, Малевич, Кандинский, Бранкузи, Дюшан, Поллок и Уорхол протаптывали новые тропы, бросая вызов миру искусства, Ньютон и все те, кто шел за ним, дали нам новое видение физики.

Пионеры физики начала ХХ века – Антуан Беккерель, Мари Кюри, Нильс Бор, Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Луи де Бройль, Эрвин Шредингер, Вольфганг Паули, Вернер Гейзенберг, Поль Дирак, Энрико Ферми и многие другие – предлагали идеи, которые в корне меняли взгляд на реальность, доминирующий на протяжении многих столетий, а то и тысячелетий. До появления квантовой механики мы считали, что частица – это частица, повинующаяся законам Ньютона, а волна – это волна, подчиняющаяся совсем другим физическим законам. Теперь мы знаем, что все частицы могут вести себя как волны, а все волны могут вести себя подобно частицам. Таким образом, один из главных физических вопросов XVIII века, является свет частицей или волной, который, казалось, был раз и навсегда решен в 1801 году Томасом Юнгом в пользу волны (см. главу 5), сегодня и вовсе не считается вопросом, ибо свет и то и другое одновременно.

До появления квантовой механики считалось, что физика наука детерминированная – в том смысле, что проведите вы один и тот же эксперимент хоть 100 раз, каждый раз получите точно такой же результат. Теперь-то мы знаем, что это неправда. Квантовая механика имеет дело с вероятностями, а не с несомненностями. Это открытие было настолько шокирующим, что даже Эйнштейн так и не смог его принять. «Бог не играет в кости», – как известно, сказал он по этому поводу. Что ж, тут великий Эйнштейн ошибался!

До появления квантовой механики мы полагали, что положение частицы и ее импульс (произведение ее массы и скорости) можно, в принципе, одновременно определить с любой степенью точности. Именно этому нас учили законы Ньютона. Теперь мы знаем, что это не так. Хотя это и противоречит интуитивному выводу, чем точнее определено положение частицы, тем менее точно определяется ее импульс; сегодня это известно каждому физику как принцип неопределенности Гейзенберга.

Эйнштейн в своей специальной теории относительности утверждал, что пространство и время образуют одну четырехмерную реальность, пространственно-временной континуум. Он постулировал постоянство скорости света (300 тысяч километров в секунду) во всех системах отсчета. Даже если какой-то человек приближается к вам на сверхскоростном поезде, движущемся со скоростью половины скорости света (150 тысяч километров в секунду) и светящим дальним светом вам в лицо, вы с этим человеком получите для скорости света одну и ту же величину. Это абсолютно противоречит интуиции, поскольку каждый человек наверняка подумает, что поскольку поезд приближается к вам, то, видя свет, направленный на вас, вы должны сложить 300 тысяч и 150 тысяч и получить в итоге 450 тысяч километров в секунду. Но это не так – согласно Эйнштейну 300 тысяч плюс 150 тысяч по-прежнему дает 300 тысяч! А его общая теория относительности оказалась, пожалуй, еще более ошеломляющей: она предполагала полное переосмысление силы, удерживающей вместе астрономическую Вселенную, утверждая, что сила тяжести искажает ткань самого пространственно-временного континуума, выталкивает объекты на орбиту с помощью геометрии и даже заставляет изгибаться в этом искаженном пространстве-времени сам свет. Эйнштейн показал, что ньютоновская физика нуждается в серьезных изменениях, и открыл нам путь к современной космологии – к теории Большого взрыва, расширению Вселенной и черным дырам.

Начав в 1970-е годы читать лекции в МТИ, я не мог не уделять больше внимания красоте и эмоциональности физики, чем ее деталям, которые все равно не задержались бы надолго в головах студентов. В каждой теме я старался по мере возможности соотносить материал с собственным миром студентов, то есть пытался помочь им увидеть то, о чем они никогда не думали, но что постоянно находилось в поле их зрения. Всякий раз, когда ученики задают мне какой-то вопрос, я обязательно говорю, что он отличный. Самое последнее, что должен делать учитель, – это заставлять ученика чувствовать, что он глуп, а преподаватель умен.