Введение

Книга посвящается физике для поэтов. Поэтому она могла бы открываться поэмой, свидетельствующей  об актуальности книги с названием «Физика для поэтов». Эта книга не будет пытаться доказать, что физики такие же, как все. Физики, как и поэты, не обычные люди. Любой человек, занятый делом, требующим интеллекта и эмоций, вполне естественно, должен быть немного странным.

Как и многие поэты, физик должен чувствовать, что он ищет «истину». Конечно, он определяет истину с помощью собственного набора правил и не задумывается, что это за правила (до тех пор пока не состарится, и тогда хорошие физики превращаются в плохих философов). Поэтому так же как поэт он может удивиться, услышав, что некоторые из этих правил связаны с красотой. Идея должна быть более чем правильной,– она должна быть красивой и привлекательной, – чтобы сильно возбудить мир физики.

 Креативность в любой области имеет и эмоциональное измерение. Это может показаться странным, если вспомнить о том, что обычно понимают под научной объективностью. Но по этим правилам оценивается только окончательная идея. Путь, на котором идея возникает, обычно прямо противоположен объективности. Но если идея поражает аудиторию красотой, в нее, по всей вероятности, поверят, даже при отсутствии подтверждающих свидетельств, и будут упорно цепляться за нее, пока доводы против не станут сокрушительными. Создатель абстрактной научной идеи должен быть так же оригинален, как и любой художник.

В современную эпоху особое значение придается научному образованию и становится клише называть научное исследование великим приключением. Очень может быть. Но студента, приступающего к своему первому серьезному научному курсу с этой мыслью в уме, ожидает серьезный шок. Чувство захватывающего приключения редко появляется во время серьезной работы, т.к. обязанности подчиненного часто оказываются и трудными и скучными. Студенту, нацеленному на научную карьеру, обычно говорят, что он должен быть готов к многолетнему и старательному обучению, прежде чем он сможет понять что-то действительно глубокое. Но хотелось бы знать, сколько людей смогло бы полюбить музыку, если бы требовалось хорошо овладеть игрой на фортепиано прежде, чем тебе разрешат послушать, например, сонаты Бетховена. Конечно, концертирующий пианист наслаждается сонатами на уровне, недоступном для других. Но достаточно впечатлительный человек с абсолютно нетренированными пальцами тоже может оценить красоту сонат. И аналогия с музыкой не так уж далека от реальности, как может показаться. Продолжая ее, эта книга даст вам немного послушать Баха и потом понять, как вы разберетесь с Шёнбергом, Бартоком и Шостаковичем. Конечно, мы должны будем от чего-то отказаться. Эта книга отказывается от цельности представления о физике. Многое из того, что физики традиционно считают важным и интересным, получает лишь упоминание или опускается вообще. Теплота, звук, оптика – главные жертвы. Вместо этого мы концентрируемся на классической механике, теории относительности и квантовой механике.

Физика видела два периода своего быстрого изменения. И хотя словом «революция» много злоупотребляли, оно является здесь все-таки подходящим. Первая физическая революция заняла почти весь 17 век и была настолько полной, что практически ничто до нее нельзя считать физикой, по современным понятиям.   Вторая революция захватила первые три декады 20 века, и конца ее мы еще не видим. Принято связывать начало первой революции с Галилео, а ее кульминацию с Ньютоном (несправедливо забывая многих достойных предшественников и современников этих двух героев). Эта революция создала классическую механику, по-видимому, самую успешную научную теорию всех времен. За два века эта теория смела перед собой всё, давая механические объяснения одному явлению за другим. В конце 19 столетия она, казалось, подошла к поглощению оптики, электромагнетизма и к достижению окончательного объединения всей физики. Действительно, для многих ученых того времени, она, казалось, уже сделала это, за исключением некоторых малых деталей. Но на  этих малых, как казалось тогда, деталях она и потерпела поражение, поражение катастрофическое. Триумф ньютоновской механики имел широкое влияние. Оставляя в стороне легион забытых теологов 19 века, которые стали считать Создателя неким искусным часовщиком, мы обнаруживаем ряд интеллектуальных тенденций, которые проявились в ответ на успех механики. Для многих философов 19 века и даже для некоторых более влиятельных политических мыслителей физика стала образцом, к которому должна стремиться любая интеллектуально респектабельная теория. Механика Ньютона была во многих отношениях уникальной, другой столь же универсальной научной теории не было никогда ни в физике, ни где-либо еще. Ньютоновская механика почти пережила вторую революцию, ибо наиболее важные концепции Ньютона остаются частью языка современной физики. Но классическая механика выжила только в бальзамированном состоянии, т.к. теперь мы знаем, что она не может более мечтать об универсальности. Ее верховная власть ограничена областью, которую физика миновала и ринулась в новых направлениях. Вторая революция внесла смуту, потому что двинулась в двух новых направлениях: теории относительности и квантовой механики. Первое в большой степени было результатом деятельности одного человека, Альберта Эйнштейна. Второе выросло из вкладов многих мыслителей (включая Альберта Эйнштейна). Теория относительности в популярном изложении эксцентрична и непонятна, но квантовая механика – это то же самое, но в еще большей степени. Обе теории создавались, по крайней мере, отчасти, в одном и том же духе критической переоценки процесса, с помощью которого физик в настоящее время наблюдает мир, в котом он живет.

Обе теории имеют дело, главным образом, с явлениями, которые лежат вне области обычного эксперимента. Отчасти поэтому они так трудны в преподавании: сами явления происходят за пределами нашего ежедневного опыта. Обе теории содержат поразительные концепции, которые кажутся абсурдными или парадоксальными, т.к. они противоречат базовым интуитивным ощущениям пространства и времени, причины и следствия. Областью квантовой теории является очень малое, а относительность имеет дело с очень большим или очень быстрым. Там, где они соприкасаются (в очень малом и очень быстром мире элементарных частиц), они не очень ладят друг с другом. Попытки комбинировать их напоминают брак по принуждению, и все еще не ясно, обречен этот брак, или он просто медленно приходит в порядок. В этом смысле революция не завершена и есть ощущение, что эти теории нужно или согласовывать, или заменять. Трудность обучения этим новым идеям, в особенности идеям квантовой механики, частично объясняется особенностями пути, которыми они развивались. Не раз в течение 20 столетия повторялась замечательная модель открытия: счастливая догадка, основанная на шатких аргументах и абсурдных предположениях ad hoc, давала формулу, которая оказывалась правильной, хотя сначала вообще никто не мог объяснить, почему это должно быть. Постепенно физики приходили к более или менее удовлетворительной интерпретации этих новых идей (по крайней мере, удовлетворяющей физика). Они могли еще чувствовать дискомфорт, но формулы тем временем выдавали эксцентричные предсказания, которые оказывались правильными, и было очень трудно оспаривать успех такого рода. А объяснение, достаточно ясное, чтобы удовлетворить непрофессионала, может складываться в течение многих лет после самого открытия. Многие из этих идей еще просто не имели времени, чтобы потерять свою причудливость, а физики, также как современные художники, не желают тратить много усилий на объяснение своих работ людям, которые кажутся им наивными обывателям. Подобно художнику, креативный ученый предпочитает считать, что его работа говорит сама за себя.