Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы: От кванта до темной материи
Предисловие: как делаются открытия?
Никто, увы, не может объяснить, как делаются открытия или, несколько точнее, как из груды предположений, ясных и совсем неясных или даже ошибочных данных выбираются те, которые помогают выявить (это слово более точно, чем «открыть») закон природы. Наитие, озарение — это ведь только слова…
Не следует ли обратиться к авторам открытий? Они-то могут или должны что-то и как-то объяснить?
И вот что говорят самые великие, авторы многих, не одного и не двух эпохальных открытий.
Альберт Эйнштейн в автобиографии пишет: «Открытие не является делом логического мышления», а в другом месте замечает, что какой-то процесс, по-видимому, происходит в подсознании, без словесного оформления, и затем как-то выскакивает в сознание.
Великий математик, физик и философ Анри Пуанкаре описывает, как он приходил к своим открытиям: «Случаи внезапного озарения, мгновенного завершения длительной подсознательной работы мозга, конечно, поразительны. Роль этой подсознательной деятельности интеллекта в математическом открытии можно считать, по-видимому, бесспорной». Но затем он продолжает: «Внезапное вдохновение никогда не могло бы прийти без многих дней предшествующих целенаправленных усилий, казавшихся в то время совершенно бесплодными и направленными по неправильному пути».
В обыденном сознании мыслитель часто ассоциируется со знаменитым «Мыслителем» Родена. Но говорят, что у глубоко задумавшегося гениального Нильса Бора был в такие моменты вид клинического идиота: полностью расслабленная мускулатура лица, опущенная нижняя челюсть… Так что прототип Родена рассуждает — возможно, он перебирает варианты ответа, но отнюдь не открывает нечто новое.
Но если нечто истинно новое возникает в виде смутной идеи, некоей картинки в подсознании, то скорее всего оно пробьется в сознание в моменты расслабленности, в полудреме или даже во сне. И действительно, именно об этом говорят многие из тех, кто совершал открытия, изобретал. Значит, логика здесь ни при чем, и машины, построенные на основе логических программ, никогда не смогут соперничать с людьми.
Что же делать, если нельзя научить делать открытия?
Нельзя забывать слова великого Т. А. Эдисона: в любом изобретении 99 % тяжкой работы и 1 % вдохновения. Так что нужно работать, тогда может прийти, а может и не прийти вдохновение.
Но можно попытаться восстановить условия, в которых совершено открытие, и то, как и почему тот или иной ученый, изобретатель заинтересовался какой-то проблемой и как он подошел к ее решению. Такие примеры могут послужить, отчасти, путеводной звездой в будущем.
Вот такие примеры автор и попытался собрать в этой книге, отмечая при этом и явления, которые до сих пор не объяснены (может, они заинтересуют читателя?).
Книга эта не является ни учебником, ни последовательной историей развития физики. Скорее, это история открытий в физике, но в форме изложения для чтения, для всех тех — от школьников, студентов и их преподавателей до психологов и просто людей любознательных, — кто интересуется проблемой открытий. (В этом и отличие ее от многих популярных книг, которые обычно объясняют то, что открыто, не затрагивая психологические проблемы работы исследователей.) Поэтому в книге нет формул, а отдельные очерки по возможности сделаны независимыми — читать ее можно почти с любого места.
Преподавательский опыт автора показывает, что рассказ о том, как, каким человеком и почему было сделано то или иное открытие, какие трудности пришлось преодолеть, какие проблемы оно разрешило, придает некую эмоциональную окраску уроку или лекции — экзамены показывают несравнимо лучшее запоминание и понимание именно этого материала. В нашей книге как раз и собраны подобные рассказы.
Кроме того, автор убежден, что рассказ об эмоционально насыщенных эпизодах легче проникает в подсознание человека (нечто вроде резонанса?), а затем схожая идея может всплыть, уже вне воли индивидуума, во время упорядоченного изучения предмета или даже во время собственных исследований. Но ведь для этого в подсознании уже должны находиться некие примеры! Поэтому представляется, что знание некоторых деталей истории открытий не может быть бесполезным, во всяком случае для будущих ученых. А может, такие рассказы и обратят кое-кого из подростков к занятиям наукой?
В последние годы во многих школьных программах понизился статус естественных наук, в том числе физики, в пользу математики и компьютеров: для чего, мол, запоминать формулировки законов Архимеда или Ома, если их можно в любой момент найти в Интернете. Хотелось бы напомнил? организаторам просвещения, что, во-первых, ни одна поисковая система не выдаст вам сведений, если вы сами не знаете, что надо искать, а во-вторых, и это гораздо важнее, суть преподавания, скажем, физики состоит в том, чтобы привить некоторые навыки понимания явлений окружающего мира, показать возможности не формального (как в математике), а реального анализа всего нас окружающего.
Так что еще одна задача книги — показать, насколько физика интересна и увлекательна. Эта книга в некотором смысле продолжает предшествующую книгу автора: «А почему это так?» (Кн. 1: Физика вокруг нас в занимательных беседах, вопросах и ответах. М.: URSS, 2012; Кн. 2: Физика в гостях у других наук (в занимательных беседах, вопросах и ответах). М.: URSS, 2012). Если в ней рассматривались повседневные явления и окружающие нас предметы, показывалась роль и возможности поиска внутреннего смысла разнородных, казалось бы, проявлений законов физики, то здесь мы обращаемся к тому, как наблюдения — возможно разрозненные, а порой и случайные — вели к открытию самых общих законов природы.
Необходимые пояснения. 1. Автор писал о тех разделах физики, которые ему в той или иной степени близки и знакомы (поэтому в очень малой степени затронуты физика твердого тела, физика плазмы и т. д.).
2. Опущены вопросы, которые очень сложно изложить без привлечения математики. 3. Список литературы к проводимому изложению мог бы по объему сравняться с самой книгой, но поскольку наше изложение отнюдь не претендует на строгую научность, приведены лишь минимальные ссылки на литературу.
Об иллюстрациях. Великий Резерфорд любил повторять: «Все науки являются либо физикой, либо собиранием марок» («All science is either physics or stamp collecting»). А поскольку имеется множество почтовых марок самых разных стран с портретами ученых и даже деталями аппаратуры и формулами, мы поместили некоторые из них здесь, руководствуясь при выборе лишь критериями правдоподобия и качества изображения. Заметим, что в мире найдется более 100 видов марок, посвященных Эйнштейну, причем некоторые из них напечатаны в странах, где вряд ли найдутся знатоки его творчества.
Раздел IКванты и относительность: «драма идей» или «тридцатилетняя война против здравого смысла»?Глава 1Концепция квантов
От малых причин бывают весьма важные последствия.
Козьма Прутков
Изучая соответствие между линиями испускания и поглощения света, Кирхгоф доказал теорему о том, что всякое тело в нагретом состоянии излучает те же частоты, которые поглощает в холодном состоянии.
Тело, которое поглощает все частоты излучения, естественно назвать абсолютно черным, тогда, в соответствии с теоремой Кирхгофа, именно абсолютно черное тело должно при нагревании излучать белый свет — без каких-либо выделенных линий, которые могут внести добавочные осложнения. Получить такое черное тело очень не просто: вначале с этой целью использовали зачерненную платину, потом появились специальные конструкции типа шаров с зачерненными изнутри стенками и маленьким отверстием — именно это отверстие и рассматривалось как модель черного тела.
Вскоре Йозеф Стефан (1835–1893) экспериментально, а затем Людвиг Больцман теоретически доказали, что интенсивность излучения черного тела очень быстро растет с его нагреванием — как четвертая степень температуры. Этот закон Стефана-Больцмана может быть выведен при рассмотрении цикла Карно, когда в цилиндрах вместо реального газа сжимается и нагревается некий «газ излучения».
Вильгельм Вин (1864–1928) продолжил аналогию между газом и излучением (но газ этот, подчеркнем, рассматривался как нечто целое) и определил понятие температуры излучения и его энтропии. Тогда сжатие газа излучения в цилиндре рассматривается как отражение от идеальной зеркальной стенки поршня, сжимающего газ. Вин смог показать, что при таком сжатии поднимается температура и растет частота излучения (отношение температуры и средней частоты не меняется — закон смещения Вина, 1896), что подтверждалось экспериментально. Казалось, что аргументы Вина, хотя и очень шаткие, ведут к правильной теории: его распределение хорошо описывало интенсивность высокочастотного излучения.
Но в июне 1900 г. лорд Рэлей показал, в статье всего из двух страниц, что если применить к излучению закон равного распределения энергии по степеням свободы (а на нем зиждется вся статистическая физика) то для зависимости интенсивности излучения от температуры получается формула, совсем не похожая на ту, которую вывел Вин (эти аргументы через несколько лет развил Дж. Джинс, и поэтому формула называется распределением Рэлея — Джинса). Это распределение великолепно описывало интенсивность излучения малых частот, как раз там, где формула Вина не работала.
Джон Уильям Стретт, 3-й лорд Рэлей (1842–1919, Нобелевская премия 1904 г.) — преемник Максвелла на посту директора Кавендишской лаборатории, классик теории колебаний и волн, в частности акустики, установил закон рассеяния света в газе и объяснил голубой цвет неба, открыл газ аргон (совместно с У. Рамзаем), ряд законов магнетизма, изобрел несколько оптических приборов. Его кредо заключалось в словах: «Физика — это измерения», — и потому он добивался все большей точности в опытах.