Бруно Мансулье
Вся физика в 15 уравнениях
Иллюстрации Лизон Берне
Предисловие
Я простой ученый в области физики элементарных частиц, которую скорее следует назвать «фундаментальной физикой». Цель моей работы — изучить и понять фундаментальные составляющие нашего мира и характер их взаимодействий от мельчайших частиц до самых больших структур Вселенной.
В данной книге я хотел бы, насколько это возможно, познакомить малоподготовленных читателей с уравнениями физики. В первую очередь я имею в виду тех, кто никогда не сталкивался с уравнениями, выражающими физические законы, или тех, для кого начальные встречи с этими законами были разочаровывающими или даже травмирующими.
Мы, физики, одновременно видим мир таким же, как его видят все, но, с другой стороны, мы наблюдаем и действительную природу вещей благодаря знанию законов физики, выраженных уравнениями. Широкая публика легко признает подобную двойственность для музыканта: музыкант — художник, но он также владеет широкими музыкальными теоретическими знаниями и обладает сильной технической подготовкой. Физики же обычно изображаются как потерянные в своих уравнениях и отключенные от реальности социопаты.
Действительно, б0льшая часть научного знания — это законы, выраженные уравнениями. Но как это не покажется странным, использование уравнений может стать настолько привычным, что видение мира «через формулы» и обычное видение сольются воедино.
Позвольте мне привести пример. Когда я смотрю на радугу, то забываю законы преломления света. Как и все остальные, я восхищаюсь красотой пейзажа, которая подчеркнута радугой. Но «все живое отбрасывает тень»; за красотой радуги стоит целый набор знаний о природе света, его распространении, который безмолвно совмещается с моим видением радуги. Точно так же, как музыкант наслаждается пьесой, которую слушает, не осознавая ее ключа, типа аккордов и структуры ритма. Конечно, если вы вдруг спросите его об этом, он обязательно даст точные и исчерпывающие ответы на все вопросы и… — это никак не повредит восприятию им музыки.
К уравнению всего
Выбор уравнений и соответствующих физических законов в этой книге может показаться профессиональным физикам или физикам-любителям произвольным. Обоснование моего выбора состоит в том, что каждое из приведенных уравнений является запечатленным свидетельством научной эволюции, а иногда даже настоящей революции.
Каждое из них демонстрирует особое понимание мира или явления: света, материи, тепла и т. д. Сформулированные на заре той эпохи, когда физика начала использовать математику, первые законы весьма скромны и ограничены на первый взгляд такой узкой областью применения, как законы отражения и преломления света. Амбиции растут: цель состоит в том, чтобы описать универсальным образом все более расширяющийся круг понятий и явлений. Таким образом, Ньютон понял, что притяжение между Землей и Луной идентично силе, которая заставляет яблоко упасть с дерева. Точно так же Максвелл объединил электричество и магнетизм, а современная физика и химия объясняют, как все химические элементы построены из протонов, нейтронов и электронов. В начале XX в. теория относительности и квантовая механика подвергли сомнению сами понятия «пространство», «время» и «материя», прежде чем космология окончательно использовала в качестве предмета исследования всю Вселенную. Сегодня одержимость физиков элементарным заставляет их пытаться объединить все известные законы мироздания в единую «минимально достаточную» теорию. Как мы увидим в конце этой книги, современная формулировка физической теории материи, пространства и времени в идеале должна содержаться в одном уравнении. Именно по этой причине часто говорят, что физики ищут
«уравнение всего». Конечно, такая идея является несколько упрощенной, но как будет выглядеть конечное уравнение? У меня нет ответа. Однако на примерах, приведенных в книге, я хотел бы поделиться с вами самим ощущением от соприкосновения с поиском столь элегантной и мощной формулы, которая способна помочь нам понять этот мир.
Красивые уравнения
Законы физики могут вызывать как уважение, восхищение, так и страх. Даже если человек никогда не занимался научными исследованиями или же настроен против всех форм математики, он, несомненно, знает, что E = mc2, и смутно связывает эту формулу с огромной силой ядерной энергии. В глазах общественности уравнения выглядят холодными и бесчеловечными символами силы науки.
Когда я выступаю перед широкой публикой, одно из первых требований, которые приходится слышать от организаторов: «никаких уравнений, пожалуйста!» Отвечая им заочно, замечу, что некоторые уравнения довольно просты, так как показывают обычное отношение пропорциональности или прямую зависимость одной величины от другой. Понимание смысла таких уравнений даже для неподготовленного человека окажется не сложнее понимания инструкции к коробочке подключения к интернету. Увы, для среднестатистического организатора публичных конференций или обыкновенного журналиста появление уравнений означает просто исчезающую аудиторию.
Все слушатели, находящиеся в аудитории, знают, что науки и математика, которые им служат, применимы в различных аспектах нашей жизни, что самолет или смартфон были разработаны и построены инженерами, которые руководствовались в своих опытах соответствующими уравнениями. Однако люди предпочитают игнорировать данное правило и оставляют эти не столь привлекательные инструменты ученым и инженерам.
Я полагаю, что недоверие к математике как науке вообще и математике в физических законах в частности имеет более глубокие основания, чем простое отвращение к формулам. Уравнения ограничивают нас своего рода интеллектуальной дисциплиной. Сегодня они не говорят ничего противоположного тому, что говорили совсем недавно. Они проясняют наше мышление, позволяя избегать неопределенности, когда мы с кем-то разговариваем. Эта интеллектуальная дисциплина может быть тревожной: неопределенность иногда так удобна…
Я не утверждаю, что уравнения физики «истинны», а говорю, что они «никогда не лгут». Когда я пишу формулы, выражающие законы механики Ньютона, описывающие начиная с XVII в. движение небесных тел, артиллерийских снарядов и каруселей, то не претендую на то, чтобы объяснить загадки мироздания, например такие, почему светит солнце, почему растут цветы или почему у меня болит голова.
Но эти уравнения предлагают мне последовательную и точную модель, набор отношений между наблюдаемыми положениями планет или между силами, которые я чувствую на американских горках. Тогда я волен разумно применить данную модель к объектам и явлениям, которые считаю принадлежащими к области ее действия. Я мог бы даже проверить пределы достоверности предсказаний модели, провести измерения, эксперименты или просто мысленно исследовать следствия этих уравнений: описывают ли они мир на очень малых или очень больших расстояниях?
Уравнение свободы
Я часто даю студентам следующие рекомендации: «дело не в том, чтобы знать все. Суть в том, чтобы знать то, что ты знаешь, и понимать, чего ты не знаешь».
В этом смысл хорошего физического уравнения: оно суммирует известное в определенной
