Физика – моя профессия
Шрифт:
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
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
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!
Ищут этот закон исследователи математического склада ума, составляя уравнения, как можно более изящные и красивые. Ищут его физики, не признающие ведущей роли эстетических позиций, а стремящиеся добиться успеха, пропуская через сито теоретического анализа груды экспериментальных фактов, которые добываются во всех странах мира с помощью фантастически громадных и не менее фантастически дорогих мощнейших ускорителей. Игра стоит свеч – речь идет об открытии великого закона природы, закона, который должен привести к новой революции наших взглядов на мир.
Глава 10
Химия
…здесь автор подкапывается под своих друзей-химиков и пытается посягнуть на существенную часть их деятельности. Автор объясняет, что химики должны изготовлять как можно больше всяких хороших вещей.
Автор просит разрешение начать главу с самого обыденного примера – домашнего химического опыта за обеденным столом.
Белый кусочек сахара, опущенный в стакан горячего чая, исчезает на наших глазах. Он распадается на молекулы – мельчайшие представители вещества. Молекула сахара построена из атомов трех сортов – углерода, кислорода и водорода. Расположены они в определенной пространственной последовательности, которую с некоторым трудом можно изобразить на рисунке. Из тех же атомов природа способна создать другую постройку. Это уже будут молекулы другого вещества, не только по вкусу, но и по всем другим свойствам не похожего на сахар.
Однако не всякая постройка атомов возможна.
Дело в том, что атомы обладают определенной валентностью. Валентность – это число, показывающее, со сколькими другими атомами может наш атом соединиться крепкими (их называют химическими) связями. От атома углерода можно провести четыре черточки – он четырехвалентен, от кислорода две, от водорода одну.
Свобода ограничена, но тем не менее возможности для постройки разных молекул из одного из того же набора атомов (такие молекулы называются изомерами) колоссальны. Можно подсчитать, что, скажем, молекула, состоящая из 20 атомов углерода, может быть сконструирована примерно полумиллионом способов. Иными словами, существует столько совершенно разных веществ, имеющих одинаковый атомный состав.