Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

В последующей группе были уже не только физики: наряду с И. Ньютоном и Н. Бором туда вошли Ч. Дарвин, 3. Фрейд, И. Кант, Ф. Достоевский, К. Маркс, Бетховен и др. К таким опросам нельзя относиться чересчур серьезно: в других странах или в иное время они дали бы несколько отличные результаты, но общая тенденция, можно думать, должна была бы сохраниться. (Из нашей прошлой истории можно вспомнить бурную полемику вокруг стихотворения Бориса Слуцкого «Физики и лирики» и фильма М. Ромма «Девять дней одного года» в конце 50-х-начале 60-х гг. XX в.)

1. В ядерной физике и в космогонии приходится пользоваться очень большими цифрами и выписывать их названия становится затруднительным. Ну как, скажем, назвать цифру с 26 нулями? Поэтому принято использовать сокращенную запись в виде степени числа:

1 тысяча = 1 000 → 10 3

1 миллион = 1 000000 → 10 6

1 миллиард (или биллион) = 1 000 миллионов → 10 9и т. д.

Аналогичные правила позволяют записывать малые доли чисел:

1 тысячная часть = 1:1000 → 10 -3

1 миллионная часть = 1:1000000 → 10 -6

1 миллиардная часть → 10 -9и т. д.

2. Единицей работы и энергии в международной системе единиц является джоуль. Однако, это слишком большая величина при рассмотрении, скажем, энергии одного электрона. Поэтому энергию в атомной физике принято измерять в электронвольтах, эВ: это энергия, приобретаемая электроном, прошедшим разность потенциалов в один вольт (в сокращенной записи единиц первая буква фамилии пишется большой). Величина эВ очень мала в сравнении с используемыми в обыденной жизни, одному джоулю соответствует 6,25· 10 18эВ. Для ионизации атома, т. е для освобождения электрона, нужна энергия в несколько эВ. Но в ядерных процессах энергии намного большие, они измеряются в тысячах, миллионах, миллиардах, триллионах эВ. Таким образом определяются:

1 КэВ = 10 3эВ, 1 МэВ = 10 6эВ, 1 ГэВ = 10 9эВ, 1 ТэВ = 10 12эВ.

3. Согласно формуле Эйнштейна E = mc 2, каждой величине массы сопоставляют энергию. И оказывается, что гораздо удобнее измерять массу частиц именно в терминах энергии — при этом отпадает необходимость в выписывании длинных цифр. Ниже, для справок, значения массы электрона и протона приведены в обычных и в энергетических величинах.

4. В обыденной жизни температуру измеряют в градусах, но, поскольку температура — это мера средней кинетической энергии, ее можно измерять в единицах энергии. Для этого нужно умножить температуру в градусах на к = 1,38 · 10 -23Дж/К — постоянную Больцмана. При этом энергия в 1 эВ соответствует температуре 11 400 °C.

5. Приведем для справок примерные значения некоторых физических величин:

N A = 6,02·10 23моль -1—число Авогадро, т. е. число молекул в одном моле, в массе вещества, равной его молекулярному весу в граммах;

с = 3 · 10 8м/с — скорость света в пустоте;

е = 1,6 · 10 -19кулон — величина заряда электрона;

ћ = 1,05 · 10 -34Дж · с — постоянная Планка;

α = е 2/ с = 1/137 — постоянная тонкой структуры;

k = 1,38 · 10 -23Дж/К — постоянная Больцмана;

m е = 9,1 · 10 -28г ~ 0, 51 МэВ — масса электрона;

m р = 1,67 · 10 -24г ~ 0,938 ГэВ — масса протона;

G = 6,67 · 10 -8см 3/г · с 2— гравитационная постоянная;

1 световой год (св. год) ~ 10 13км,

1 парсек (пк) ~ 3 св. год, 1 Мпс = 10 6пс ~ 3 · 10 19км.

Первую часть [70] Перельман М. Е. Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы: От Аристотеля до Николы Теслы. М.: URSS, 2012. этой книги мы начали со слов великого детектива Шерлока Холмса: «Я не раз говорил вам, что когда вы удалите невозможное, то все, что останется, должно быть правдой — как бы оно ни казалось невероятным». Именно они должны быть признаны символом веры, и именно это мы старались показать на протяжении всей книги, которую вы прочли или просмотрели.

Сопоставления детективного расследования и научного исследования — вполне естественны: и тут, и там вы видите и следы, которые могут открыть истину, и множество ложных направлений поиска, в которых так легко запутаться. Но, как любил повторять Эйнштейн, «Бог не играет в кости» — природа управляется не случайностями, а законами, которые нужно открыть и понять, и она сама подсказывает направление поиска, которое люди не всегда сразу же замечают. Вспомним, что до Г. X. Эрстеда, В. Рентгена, К. Андерсона, Б. Джозефсона многие квалифицированные ученые видели, но не обратили внимания на те, казалось бы, очевидные особенности, которые привели к открытиям.

Итак, нужно внимательно смотреть по сторонам, не бояться фантазии, не доверять полностью чужим мнениям, но и не впадать в грех полного неверия, изучать критически то, что уже достигнуто, пытаться создать полную, но свою картину окружающей действительности, той науки, которая вас интересует.

«Наука вовсе не является коллекцией законов, собранием несвязанных фактов, — пишут Эйнштейн и Инфельд в своей книге. — Она является созданием человеческого разума с его свободно изобретенными идеями и понятиями. Физические теории стремятся образовать картину реальности и установить ее связь с обширным миром чувственных восприятий».

Ждут ли нас новые открытия, и если да, то где? Я старался не затушевывать имеющиеся трудности, неясности в развитых, казалось бы, теориях — во всех них можно и должно искать новые явления. Помимо того, все время возникают новые направления научного поиска — и они открываются порой на давно как будто заезженных дорогах.

Так, топографы вдруг обнаружили, что они не могут назвать длину береговой линии Англии: ведь с увеличением масштаба карт проявляются новые подробности этой линии и растет ее длина, которую измеряют линейкой по карте, — на каком же масштабе нужно остановиться? Эта проблема не является, конечно, практически важной, но вот другая, математически того же класса: многие химические процессы резко ускоряются на поверхности катализатора, например платины, и при этом можно создать не гладкую поверхность, а причудливо «корявую», но как измерить ее площадь? Для всего этого пришлось развивать так называемую фрактальную геометрию (мы упоминали о ней в связи с теорией фазовых переходов К. Вильсона) — береговая линия Англии не имеет, как обычная линия, размерность 1, а некоторую промежуточную между 1 и 2 (размерности длины и площади), размерность площади катализатора — промежуточная между 2 и 3, т. е. между размерностями площади и объема, и т. д.

В 1963 г. метеоролог Эдвард Лоренц положил начало новому направлению не только в физике атмосферы, но во всем естествознании — исследованию хаоса в детерминированных системах. Он просчитал на компьютере, как казалось, простейшую задачу, решение системы трех уравнений, и совершил замечательное открытие — увидел множество явлений, для которых невозможен долгосрочный прогноз: малейшая — и неизбежная! — неточность в начальных данных ведет к абсолютно различным последующим мирам. Много раньше об этом писал М. Борн, но не сумел превратить такую идею в новое направление. Есть известный рассказ Рэя Брэдбери о путешественнике в прошлое, который нечаянно раздавил там бабочку и вернулся в совершенно иной мир — закономерности, открытые Э. Лоренцем, иногда именуют «эффектом бабочки». Это новое научное направление (его называют нелинейной динамикой, иногда синергетикой) можно назвать теорией хаоса, а применимо оно не только к физике, но и к поведению финансовых рынков, к анализу кардиограмм, к деятельности антиглобалистов и террористов и т. д. и т. п., но для изложения этих идей нужно писать новую книгу [71] И конечно, в такой книге следовало бы подробно рассказать о теории катастроф — новой, как будто, области математики, многие результаты и методы которой были предвосхищены физиками: в теории спонтанного нарушения симметрии, теории фазовых переходов, в оптике и т. д. Пока можно лишь сослаться на небольшую популярную (отчасти) книгу В. И. Арнольда «Теория катастроф» (5-е изд. М.: URSS, 2009), на некоторые главы «Теории катастроф и ее приложения» Т. Постона и Й. Стюарта (М.: Мир, 1980) и др. .