Введение. История физики

«Если в результате какой-то катастрофы всё научное знание погибло бы и потомкам досталась бы лишь одна фраза, какой должна была бы быть эта фраза? Атомная гипотеза». — Ричард Фейнман

«Самое непостижимое в этом мире — то, что он постижим». — Альберт Эйнштейн

Физика — не просто набор формул. Это способ смотреть на мир: убеждённость в том, что у каждого явления есть причина, что причину можно найти, а найденное — проверить опытом и записать на языке математики. Этот способ мышления не появился вместе с человеком — его вырабатывали более двух с половиной тысяч лет, и история его полна драм, ошибок, триумфов и совершенно детективных поворотов. Далее — краткий проход через весь этот путь, от первых догадок до чёрных дыр.

1. До физики: знание без науки

Задолго до первых философов люди уже многое умели. В Египте и Вавилоне составляли календари и предсказывали разливы Нила и затмения, измеряли площади полей, строили ирригационные каналы и пирамиды, пользовались рычагом, клином и колесом. Но это было знание-рецепт: «делай так, потому что так повелось». На вопрос «почему?» отвечали мифом: гром — голос бога, солнце — небесная колесница, болезнь — кара духов.

Наука родилась там и тогда, где и когда впервые прозвучал другой ответ: «не знаю, но можно выяснить».

2. Греческое чудо: природа, о которой спрашивают

Около VI века до н. э. в греческих колониях Ионии случилось то, что историки называют «греческим чудом». Фалес Милетский (ок. 624–546 до н. э.) первым заявил: мир устроен по собственным законам, и их можно понять разумом. Ему приписывают предсказание солнечного затмения 585 года до н. э. — первый триумф такого мышления.

А самую смелую догадку античности высказал Демокрит (ок. 460–370 до н. э.): если разрезать любой предмет пополам, потом ещё пополам и так далее, рано или поздно можно дойти до неделимых частиц — атомов (ἄτομος — «неделимый»). Атомы различаются формой и размером, движутся в пустоте, и все свойства вещества — лишь результат их сцепления.

Рис. 1. Атомы и пустота по Демокриту: неделимые частицы разных форм — одни гладкие и круглые, другие с «крючками» — носятся в пустоте, сталкиваются и сцепляются. Из «крючковатых» атомов, по мысли древних, состоят твёрдые тела, из гладких — вода и воздух.

Никаких приборов у Демокрита не было — это была чистая работа мысли. И подтверждение его догадки заняло 2400 лет.

Слово же «физика» подарил науке Аристотель (384–322 до н. э.) — от греческого φύσις (фюсис), «природа». Так назывался его трактат, и так стало называться всё учение о природе.

Рис. 2. Система мира по Аристотелю: в центре — Земля, вокруг неё вложенные сферы Воды, Воздуха и Огня, снаружи — совершенная, неизменная небесная сфера со звёздами. Система была настолько цельной и красивой, что господствовала почти две тысячи лет — и тормозила науку сильнее, чем любые запреты.

Аристотель построил грандиозную картину мира:

• всё земное состоит из четырёх стихий — земли, воды, воздуха и огня;

• у каждого тела есть «естественное место»: камень падает вниз, «стремясь домой», дым поднимается вверх;

• небесный мир устроен иначе: там совершенные тела из эфира движутся по идеальным окружностям;

• у всякого движения есть цель; пустоты в природе быть не может («природа боится пустоты»).

Сила системы Аристотеля — в её логической цельности и широте. Слабость — в том, что она не проверялась опытом. Красивое рассуждение было важнее измерения. А между тем из этой системы следовало, например, что тяжёлое тело должно падать быстрее лёгкого — и это «все знали» почти две тысячи лет, пока один упрямый итальянец не взял в руки шары и наклонную плоскость.

Но в античности существовал и другой путь — путь Архимеда.

Рис. 3. Рычаг Архимеда: небольшая сила, приложенная на длинном плече, способна уравновесить огромный груз на коротком. «Дайте мне точку опоры — и я переверну Землю!»

Архимед (ок. 287–212 до н. э.) открыл закон рычага и закон плавания тел (легендарное «Эврика!» — по преданию, он додумался до него в ванне и выбежал на улицу, забыв одеться). Он заложил основы статики и гидростатики, вычислял площади и объёмы методами, предвосхитившими интегральное исчисление на две тысячи лет, и строил машины, защищавшие Сиракузы от римского флота. Архимед — первый в истории физик-экспериментатор: у него чертёж и опыт работают в паре.

Вопрос для размышления. Античность подарила и атомы Демокрита, и рычаг Архимеда, и геометрию Евклида. Почему же научная революция не случилась тогда? Историки называют несколько причин: презрение свободного гражданина к ручному труду и ремеслу, отсутствие точных приборов, вера в то, что истина открывается созерцанием, а не экспериментом. Идея ждала своего часа почти два тысячелетия.

3. Тысячелетняя пауза и первые вспышки метода

В Средние века центр научной мысли сместился на Восток. Арабский учёный Ибн аль-Хайсам (Альхазен, ок. 965–1040) изучал оптику и сформулировал принцип, без которого физики не существует: истина ищется не верой в авторитеты, а опытом, который решает спор. Он ставил опыты с камерой-обскурой и изучал прямолинейность распространения света.

В Европе XIV века Жан Буридан предложил теорию импетуса — «вложенного движения», предшественницу понятия инерции, а «оксфордские калькуляторы» впервые описали ускорение математическим языком. Тикали первые механические часы — Европа привыкала измерять время. Почва для революции была готова.

Занимательный факт. Ибн аль-Хайсам провёл значительную часть жизни, находясь под домашним арестом в Каире, — по преданию, он симулировал безумие, чтобы избежать поручения халифа зарегулировать разливы Нила, которое считал невыполнимым. Именно в эти вынужденные годы затворничества он написал главный труд по оптике.

4. Научная революция (1543–1687): мир становится измеримым

Революция началась с книги, вышедшей в год смерти её автора. В 1543 году Николай Коперник (1473–1543) поместил в центр мира Солнце, а Землю сделал рядовой планетой. Иоганн Кеплер (1571–1630), обработав точнейшие наблюдения Тихо Браге, открыл три закона движения планет: орбиты — эллипсы, и планеты движутся по ним неравномерно, подчиняясь точным математическим правилам.

Но человеком, который научил науку ставить природе вопросы в форме эксперимента, стал Галилео Галилей (1564–1642).

Рис. 4. Опыты Галилея. Слева — шарик скатывается по наклонной плоскости: за равные промежутки времени он проходит всё большее расстояние (путь растёт как квадрат времени). Справа — маятник, на котором Галилей изучал зависимость периода колебаний от длины нити.

Что сделал Галилей:

• Опроверг представление Аристотеля о падении тел. Катая шары по наклонной плоскости и измеряя время (капавшей водой и ударами пульса), он показал: ускорение падения одинаково для всех тел, а путь растёт как квадрат времени: s ~ t².

• Сформулировал закон инерции: тело, которому не мешают, движется равномерно и прямолинейно — вопреки Аристотелю, считавшему, что движение требует постоянно действующей причины.

• Направил зрительную трубу в небо (1609) и увидел горы на Луне, четыре луны у Юпитера, фазы Венеры, множество звёзд в Млечном Пути. Небо оказалось устроено так же, как Земля, а вовсе не из «совершенного эфира».

• Сформулировал метод: опыт → гипотеза → математическое следствие → снова опыт. «Книга природы написана на языке математики», — писал он.

За поддержку учения Коперника Галилей предстал перед судом инквизиции (1633) и был вынужден отречься. Легенда прибавила ему фразу «И всё-таки она вертится!» — но реальность оказалась убедительнее легенды: Земля действительно вращается, и это было доказано.

Здание, построенное Галилеем и Кеплером, завершил Исаак Ньютон (1643–1727). В «Математических началах натуральной философии» (1687) он сформулировал три закона движения и закон всемирного тяготения:

F = G·m₁m₂/r²

Рис. 5. Два направления работы Ньютона: слева — призма разлагает белый луч света на цветной спектр (доказательство того, что белый свет составной), справа — падающее яблоко, символ закона всемирного тяготения.

Впервые один и тот же закон описал и падение яблока, и обращение Луны вокруг Земли. Земное и небесное объединились — интеллектуальная победа невиданного масштаба. Чтобы объяснить, почему Луна «падает, но не падает», Ньютон предложил гениальный мысленный опыт.

Рис. 6. Пушка Ньютона. Выстрел с высокой горы: чем быстрее летит ядро, тем дальше оно упадёт. При достаточной начальной скорости ядро будет падать «вслед» за круглой поверхностью Земли и никогда не достигнет её — станет спутником. Так Ньютон показал: полёт пушечного ядра и орбита Луны — одно и то же явление, просто с разными скоростями.

Ньютон также изучал свет: доказал призмой, что белый свет — смесь цветов, построил первый зеркальный телескоп. На вопрос о причине тяготения он отвечал знаменитой фразой «Hypotheses non fingo» — «гипотез не измышляю»: достаточно того, что закон точно описывает результаты опытов. Физика стала предсказательной наукой: движение комет, приливы и траекторию пушечного ядра теперь можно было вычислить заранее.

Из первоисточника. «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов» — И. Ньютон.

5. Век пара и энергии: рождение термодинамики

XVIII век отточил механику (работы Эйлера, Лагранжа), а XIX начался с машины, изменившей всё, — паровой. Инженеры спрашивали: как получить больше работы от тонны угля? На этот вопрос ответил Сади Карно (1824), положив начало термодинамике. Затем Майер, Джоуль и Гельмгольц открыли закон сохранения энергии: энергия не создаётся и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую. Клаузиус ввёл понятие энтропии — меры беспорядка, — а Людвиг Больцман вывел законы термодинамики из движения атомов и объяснил, почему время течёт только в одну сторону: беспорядочных состояний вещества несравнимо больше, чем упорядоченных, поэтому со временем беспорядок растёт.

Занимательный факт. Идеи Больцмана о существовании атомов десятилетиями не принимались значительной частью научного сообщества. Убеждённость в собственной правоте, которую опыт подтвердил лишь после его смерти, часто связывают с трагическим финалом жизни учёного.

6. Век поля: от Фарадея к Максвеллу

Электричество долго оставалось кабинетным чудом, пока Майкл Фарадей (1791–1867) — сын кузнеца, самоучка, в юности работавший переплётчиком книг — не открыл электромагнитную индукцию (1831): движущийся магнит рождает электрический ток. Так родился принцип работы всех генераторов и трансформаторов мира. Но главное, что дал Фарадей науке, — даже не отдельные открытия, а картина мира: пространство вокруг магнитов и зарядов, заполненное силовыми линиями. Родилось понятие поля — новой физической реальности, не менее важной, чем вещество.

Рис. 7. Подковообразный магнит: железные опилки выстраиваются вдоль силовых линий — невидимое магнитное поле становится видимым.

Фарадею не хватало математического аппарата для полного описания этой картины — его дал Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879).

Рис. 8. Слева — схема опыта по электромагнитной индукции: движение магнита относительно катушки вызывает отклонение стрелки гальванометра. Справа — четыре уравнения Максвелла, уместившие на себе всё электричество и магнетизм.

Записав идеи Фарадея в виде четырёх уравнений, Максвелл обнаружил: из них математически следует существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Отсюда — неожиданный вывод: свет и есть электромагнитная волна. Оптика оказалась разделом электродинамики.

Рис. 9. Электромагнитная волна: колебания электрического поля (E) и магнитного поля (B) происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и распространяются вдоль общей оси со скоростью света c. Так устроен свет — а также радиоволны и рентгеновское излучение: разница лишь в длине волны.

В 1887 году Генрих Герц зарегистрировал такие волны в лаборатории. Через несколько десятилетий на основе этого открытия появились радио и телефон, а позже — телевидение и сотовая связь. Уравнения, написанные «ради полноты и красоты теории», подарили человечеству технологии, которыми пользуются миллиарды людей.

7. «Два облачка» над ясным небом

К 1900 году многим казалось, что физика почти завершена. Лорд Кельвин в знаменитой лекции заметил: здание науки построено, но горизонт омрачают два небольших облачка: во-первых, опыт Майкельсона–Морли (1887) не обнаружил эфира, в котором, как считалось, должен распространяться свет; во-вторых, теория не могла правильно объяснить спектр излучения нагретого тела — расчёт приводил к бессмысленному результату («ультрафиолетовая катастрофа»). Из этих двух облачков и разразились две главные революции физики XX века.

8. Квантовая искра и атом, который не захотел быть простым

Сначала перестал быть «неделимым» сам атом. В 1897 году Дж. Дж. Томсон открыл электрон и предложил первую модель атома: положительно заряженное вещество, в котором, подобно изюминкам в тесте, расположены электроны.

Рис. 10. Атом Томсона — модель «пудинг с изюмом»: сплошной положительно заряженный шар с вкраплёнными в него отрицательными электронами. Красивая модель — просуществовавшая недолго.

В 1909–1911 годах ученики Эрнеста Резерфорда обстреляли тонкую золотую фольгу альфа-частицами — и некоторые из них неожиданно отскочили назад. Резерфорд сравнивал это с ситуацией, будто выстрелили пятнадцатидюймовым снарядом в папиросную бумагу, а снаряд отскочил и попал обратно в стрелявшего. Вывод был неизбежен: почти вся масса и весь положительный заряд атома собраны в крошечном ядре. Родилась планетарная модель атома.

Рис. 11. Планетарная модель Резерфорда–Бора: ядро в центре, электроны движутся по орбитам вокруг него. При переходе электрона с одной орбиты на другую атом излучает порцию света — фотон (волнистая стрелка). Классическая физика не могла объяснить, почему электрон вообще не падает на ядро, — для этого пришлось создавать принципиально новую, квантовую физику.

Тем временем Макс Планк (14 декабря 1900 года считается «днём рождения квантовой теории») показал: нагретое тело излучает энергию не непрерывно, а порциями — квантами. Молодой служащий патентного бюро Альберт Эйнштейн в 1905 году понял, что кванты — не удобный приём для расчётов, а физическая реальность: свет состоит из частиц (фотонов), чем и объясняется фотоэффект. В том же 1905 году Эйнштейн объяснил броуновское движение хаотическим столкновением молекул — решающий довод в пользу реального существования атомов, — и создал специальную теорию относительности.

Нильс Бор в 1913 году запретил электронам в атоме занимать произвольные орбиты, оставив лишь разрешённые, квантованные, — и модель атома совпала с результатами опытов. А в 1925–1928 годах Гейзенберг, Шрёдингер и Дирак создали квантовую механику: частица ведёт себя одновременно как волна, а вероятность оказалась встроена в сами законы природы. Эйнштейн спорил с этим выводом («Бог не играет в кости»), однако опыты неизменно подтверждали: играет. Именно квантовая механика лежит в основе транзистора, лазера, компьютера и смартфона.

9. Эйнштейн: пространство и время становятся гибкими

Специальная теория относительности (1905) началась с простого и головокружительного вопроса: что произойдёт, если догонять световой луч со скоростью света? Ответ Эйнштейна: скорость света одна и та же для всех наблюдателей, независимо от их собственного движения. Из этого единственного постулата следует нечто невероятное: у движущихся часов время течёт медленнее, длины тел в направлении движения сокращаются, одновременность событий оказывается относительной, а масса и энергия — двумя проявлениями одной и той же величины:

Рис. 12. Формула E = mc² — возможно, самое узнаваемое уравнение в истории науки. Она утверждает: даже покоящееся тело обладает огромным запасом энергии, пропорциональным его массе и квадрату скорости света.

Но тяготение в специальной теории относительности не помещалось. Десять лет Эйнштейн работал над общей теорией относительности (1915) — и пришёл к идее, которую нередко называют красивейшей в истории науки: тяготение — это не сила, а искривление самого пространства-времени. Масса подсказывает пространству, как искривиться; искривлённое пространство подсказывает массе, как двигаться.

Рис. 13. Искривлённое пространство-время: массивное тело прогибает координатную «сетку», а орбита меньшего тела — это движение по геодезической линии внутри искривлённого пространства. Никакой отдельной «силы притяжения» в этой картине нет — есть только геометрия.

В 1919 году экспедиция Артура Эддингтона во время полного солнечного затмения измерила отклонение света далёких звёзд вблизи края Солнца — и пространство действительно оказалось искривлено в точном соответствии с расчётом Эйнштейна. Позже общая теория относительности предсказала существование чёрных дыр и гравитационных волн — ряби пространства-времени, которую детекторы LIGO впервые зарегистрировали в 2015 году, ровно через сто лет после теоретического предсказания.

10. Физика XX–XXI веков: что успели и что не успели

XX век добавил физике ядерную эпоху (работы Беккереля, супругов Кюри, открытие деления ядра, первый реактор Ферми), Стандартную модель элементарных частиц, завершившуюся открытием бозона Хиггса в 2012 году, и космологию Большого взрыва (реликтовое излучение было обнаружено в 1965 году). Но остались и вопросы, ответа на которые до сих пор нет: из чего состоят тёмная материя и тёмная энергия, составляющие вместе около 95% Вселенной? Как объединить квантовую теорию с гравитацией? Почему у времени есть выделенное направление и было ли у Вселенной начало? Физика остаётся живой, незавершённой наукой.

11. Итоговая таблица эпох

Главный вывод из истории физики. Наука движется тремя силами: наблюдением и опытом, языком математики и готовностью сомневаться в авторитетах. Убрать любую из них — и физика превращается либо в набор рецептов, либо в красивую, но непроверяемую сказку.

Вопросы для самопроверки

1. Чем объяснение Фалеса отличалось от мифологического объяснения природных явлений?

2. Почему догадке Демокрита об атомах понадобилось 2400 лет на экспериментальное подтверждение?

3. В чём главная слабость физики Аристотеля и главная сила работ Архимеда?

4. Какие шаги научного метода утвердил в своей работе Галилей?

5. По рисунку 6 объяснить, почему Луна «падает, но не падает» на Землю.

6. Что именно объединил Ньютон одним законом всемирного тяготения?

7. Какую новую физическую реальность ввёл в науку Фарадей и во что она превратилась в работах Максвелла?

8. Какие «два облачка» назвал лорд Кельвин и какими революциями они впоследствии разрешились?

9. Почему планетарная модель атома (рис. 11) противоречила законам классической физики?

10. Что означает фраза «тяготение — это геометрия» применительно к рисунку 13?

Задания для дополнительной практики

1. Опыт Галилея. Скатить шарик по наклонной линейке и измерить время с помощью секундомера. Удвоить длину пути — во сколько раз изменилось время? Согласуется ли результат с соотношением s ~ t²?

2. Маятник. Подвесить груз на нити и проверить: зависит ли период колебаний от массы груза и от размаха колебаний?

3. Мысленный эксперимент. Представить, что скорость света равна 30 км/ч. Описать один обычный день в таком мире — как изменились бы представления об одновременности событий, длинах и промежутках времени?

4. Лента времени. Составить хронологическую таблицу всех дат и имён, упомянутых в тексте, — от Фалеса до открытия гравитационных волн.