Александр Китайгородский - Физика – моя профессия

Особенности физического мышления проявляются здесь как в самом решении задачи, так и в постановке задачи. Дело в том, что не всякий теоретический расчет целесообразен. Теория может рассчитать результат конкретного опыта. Скажем, можно поставить задачу теоретически вычислить плотность воды. Несколько месяцев работы, и вы получите результат – плотность воды с точностью пять процентов равна единице. Но измерить плотность воды можно за несколько минут, и при этом с точностью в тысячные доли процента. Спрашивается, зачем надо было считать!

Но вот вычислить угол наклона ракеты, чтобы она попала в заданное место, явно целесообразно. Установить этот угол наклона опытным путем (то есть запустив под разными углами тысячу ракет и выбрав один нужный) стоило бы слишком дорого.

То же самое касается теоретического расчета зависимостей, имеющих частное значение. Например, можно рассчитать, как зависит давление паров бензола от температуры. Но результаты этого очень сложного расчета не помогут в предсказании поведения паров других веществ. Если так, то проще произвести измерения.

Короче, физика ценит теоретические вычисления, если их результатом окажутся достаточно общие закономерности, охватывающие широкий круг явлений, а исчерпывающее опытное описание этого круга явлений будет занимать несоизмеримо большое время. Только тогда игра стоит свеч.

Казалось бы, довольно ясные вещи. Но, к сожалению, эти правила часто нарушаются естествоиспытателями, правда, теми, кому чуждо физическое мышление…

До сих пор речь шла об архитектурном стиле научных исследований. Теперь стоит сказать несколько слов о том, как обстоят дела строительства фундамента естествознания.

Можно без труда выделить завершенные постройки. Это прежде всего механика, которая умеет безошибочно и с величайшей точностью предсказывать движения тел, если известны действующие на них силы. Это электродинамика, позволяющая рассчитывать электромагнитные поля, если заданы создающие их электрические заряды и токи. Один из красивейших разделов естествознания – статистическая физика командует поведением газов, жидкостей и твердых тел, меняющих свои свойства под влиянием внешних условий. Поведение атомных ядер и электронов с успехом предсказывается квантовой механикой.

Все эти области физики похожи до некоторой степени на эвклидову геометрию: несколько аксиом, и далее строгое дедуктивное изложение, логический вывод бесчисленных следствий, подтверждаемых опытом с той точностью, с которой удалось произвести теоретическое вычисление.

В ряде случаев исходные аксиомы настолько просты, что без труда верится, что это истины в последней инстанции. Так, например, можно показать, что три кита, на которых покоится механика, – закон сохранения энергии, закон сохранения поступательного импульса и закон сохранения вращательного импульса – сводятся к утверждению о равноправности разных мест и направлений пространства.

Однако далеко не все исходные аксиомы науки столь просты. А обязаны ли они быть простыми? Кто может на это ответить? Поль Дирак полагает, что основные аксиомы могут быть и непростыми, но обязательно должны выделяться математическим изяществом и красотой.

Эстетический критерий при обсуждении математических формул?

Да. Оценка уравнений и вычислений как красивых, изящных или, напротив, неуклюжих, громоздких очень распространена среди физиков.

Закон всемирного тяготения Ньютона, несомненно, красивый закон. Вы не согласны со мной? Вы не видите в этой записи ничего красивого?

Но подумайте, сколь эта запись симметрична и проста; именно в симметрии и простоте и заключена красота закона. Представьте себе, что кто-нибудь предложил бы закон тяготения, в котором знаменателем формулы служил бы не квадрат расстояния, а расстояние в степени девять вторых, а в числителе стояло бы не произведение масс, а, скажем, корень квадратный из суммы масс. Некрасивая, неприятная формула. Сомнение в ее справедливости возникло бы сразу, она раздражала бы нас с чисто эстетических позиций.

Читатель, вероятно, скажет, что автор шутит. Почему природа любит красивые уравнения?

Не знаю. Вероятно, господь бог Природа – хороший математик. Ведь все фундаментальные уравнения современной физики, бесспорно, выдерживают эстетический критерий. Можете мне поверить, что изящество и простота математического представления законов электродинамики (уравнения Максвелла) доставляют физику эмоциональное волнение, хотя источником его принято считать лишь произведения искусства.

Но если аксиомы завершенных областей физики так красивы, как утверждает автор, то значит ли, что на них физика может успокоиться? Нет, совсем нет. Об этом свидетельствуют упорные поиски Эйнштейном единой теории поля. Насколько выиграла бы наша система аксиом, если бы удалось их представить как следствия единого закона природы! Поискам такого уравнения, из которого выводились бы и законы механики и законы электродинамики, Эйнштейн посвятил последние десятки лет своей жизни. Увы, титанический труд оказался безуспешным! Будет ли найдена такая генерал-аксиома, покажет будущее.

Надо признаться, что вопрос объединения механики и учения об электричестве волнует физиков несравненно меньше, чем теория элементарных частиц. В конце концов механика и электродинамика (пусть даже не подведенные под одну крышу) представляют собой образец законченности. Проблемы сегодняшнего дня, связанные с этими дисциплинами, могут быть переданы в руки прикладников и математиков-вычислителей. Что же касается учения об элементарных частицах, бурно развивающегося на наших глазах и приносящего что ни год, то все новые поразительные открытия, то оно представляется лишь как собрание обрывочных понятий, а не образец стройной теории. Думается, что мы вправе ожидать, что именно здесь, из хаоса новых экспериментальных данных о поведении мельчайших частиц материи, должна вырасти новая теория, которая, может быть, соединит в одно целое не только механику с электродинамикой, но и приведет нас к единому закону всего естествознания.

Поэтому сегодня усилия многих ученых направлены на создание теории в той области, где ее нет, то есть в области движения элементарных частиц со скоростями, близкими к скоростям света. Ведь квантовая механика Шредингера не работает здесь потому, что частицы очень быстрые, а теория относительности Эйнштейна не работает по той причине, что частицы очень легкие.

Пока успехи в этом направлении невелики. Но и задача не из легких! Будущей теории придется объяснить, почему элементарных частиц столько, сколько их наблюдается на опыте; почему они обладают такой массой, а не иной; почему заряды частиц равны заряду электрона или отличаются от этого заряда лишь знаком, а не произвольны и т. д. Короче говоря, объяснить надо, почему мир элементарных частиц построен именно так, а не как-нибудь иначе. Должно же это следовать из какого-то общего единого закона природы!