Тео­рия бы­ст­рых и тео­рия ма­лых

Ре­во­лю­ции в фи­зи­ке Ан­дрей Ми­хе­ен­ков

Kommersant Weekend - - Aфиша -

Глав­ной на­у­кой XX ве­ка бы­ла, ко­неч­но, фи­зи­ка. В 20– 30-х го­дах на это ме­сто пре­тен­до­ва­ла бы­ло хи­мия, да быст­ро от­сту­пи­ла. Важ­ней­шие тех­но­ло­ги­че­ские до­сти­же­ния ве­ка про­ис­хо­дят из фи­зи­ки. Ес­ли же от­влечь­ся от прак­ти­че­ских при­ме­не­ний, для са­мой фи­зи­ки, для ее внут­рен­ней ло­ги­ки про­шед­ший век то­же был важ­ней­шим. Со­вер­шен­но неяс­но, мож­но ли бу­дет ска­зать то же са­мое про XXI век. По­ка ка­жет­ся, что ед­ва ли Две ре­во­лю­ции

Со­вре­мен­ная фи­зи­ка неиз­ме­ри­мо слож­нее и глуб­же сво­е­го со­сто­я­ния сто­лет­ней дав­но­сти, а мас­штаб до­ступ­ных ей яв­ле­ний неиз­ме­ри­мо ши­ре — от квар­ков до кос­мо­ло­ги­че­ских вре­мен и рас­сто­я­ний. Ве­ко­вая эво­лю­ция пред­став­ле­ний о ма­те­ри­аль­ном ми­ре вклю­ча­ла и мно­го­чис­лен­ные ка­че­ствен­ные скач­ки. Но, ко­неч­но, два важ­ней­ших скач­ка, две ре­во­лю­ции в фи­зи­ке XX ве­ка — это тео­рия от­но­си­тель­но­сти и кван­то­вая ме­ха­ни­ка. Тут сра­зу необ­хо­ди­ма ого­вор­ка. Тео­рий от­но­си­тель­но­сти две: спе­ци­аль­ная и об­щая. Обе со­зда­ны в на­ча­ле ве­ка глав­ным об­ра­зом в ра­бо­тах Эйн­штей­на. Спе­ци­аль­ная тео­рия от­но­си­тель­но­сти изу­ча­ет те­ла, дви­жу­щи­е­ся со ско­ро­стью, близ­кой к ско­ро­сти све­та (300 000 км/сек). Об­щая, раз­ви­ва­ю­щая идеи спе­ци­аль­ной, за­ни­ма­ет­ся гра­ви­та­ци­ей. Об­щая тео­рия от­но­си­тель­но­сти — фун­да­мен­таль­ная и чрез­вы­чай­но важ­ная об­ласть, и, на­при­мер, толь­ко что по­лу­чив­шее Но­бе­лев­скую пре­мию де­тек­ти­ро­ва­ние гра­ви­та­ци­он­ных волн ста­ло од­ним из ее под­твер­жде­ний. Но все-та­ки пер­вой ра­ди­каль­но из­ме­ни­ла пред­став­ле­ния о про­стран­стве и вре­ме­ни спе­ци­аль­ная тео­рия от­но­си­тель­но­сти, имен­но она бы­ла ре­во­лю­ци­ей.

Тео­рия от­но­си­тель­но­сти

При­ня­то счи­тать, что тео­рия от­но­си­тель­но­сти ( даль­ше — без сло­ва « спе­ци­аль­ная ») очень слож­на и ос­но­ва­на на невнят­ных про­сто­му смерт­но­му по­сту­ла­тах. То и дру­гое невер­но. По­сту­ла­ты про­ще неку­да. Аль­берт Эйн­штейн про­сто до­ба­вил к из­вест­но­му 300 лет прин­ци­пу от­но­си­тель­но­сти Га­ли­лея те­зис о мак­си­маль­ной ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния вза­и­мо­дей­ствия. Прин­цип Га­ли­лея — это при­мер­но вот что: «в ку­пе бес­шум­но­го по­ез­да с за­дер­ну­ты­ми што­ра­ми ни­как нель­зя опре­де­лить, сто­ит он, или едет рав­но­мер­но ». А мак­си­маль­ная ско­рость — уже уста­нов­лен­ный к на­ча­лу ве­ка экс­пе­ри­мен­таль­но факт: нет ни­че­го быст­рее све­та. И все. Осталь­ное сво­дит­ся к про­стым, на уровне вто­ро­курс­ни­ка, вы­чис­ле­ни­ям. В зна­ме­ни­том «Лан­дав­ши­це » — кур­се тео­ре­ти­че­ской фи­зи­ки Лан­дау и Лиф­ши­ца (10 то­мов в сред­нем по 500 стра­ниц) — де­таль­ное из­ло­же­ние тео­рии

от­но­си­тель­но­сти за­ни­ма­ет две гла­вы, 50 стра­ниц, а клю­че­вые по­ло­же­ния тео­рии — это во­об­ще два-три па­ра­гра­фа. Тео­рия от­но­си­тель­но­сти непри­выч­на не слож­ной ма­те­ма­ти­кой, а тем, что она — пер­вой из на­ук XX ве­ка — про­ти­во­ре­чит обы­ден­но­му со­зна­нию, здра­во­му смыс­лу. Про­стые ис­ход­ные те­зи­сы и ма­те­ма­ти­че­ски без­упреч­ные вы­чис­ле­ния при­во­дят к ре­зуль­та­там, с ко­то­ры­ми труд­но сми­рить­ся. Здесь са­мый из­вест­ный при­мер — про­бле­ма син­хро­ни­за­ции. Ес­ли су­ще­ству­ет мак­си­маль­ная ско­рость рас­про­стра­не­ния сиг­на­ла, то это зна­чит, что невоз­мож­но мгно­вен­но уста­но­вить да­ле­кие друг от дру­га ча­сы на од­но и то же вре­мя, от од­них до дру­гих на­до еще до­бе­жать. То есть в каж­дой точ­ке про­стран­ства воз­ни­ка­ет соб­ствен­ное вре­мя, а не од­но на всех аб­со­лют­ное, как бы­ло в клас­си­че­ской на­у­ке. Бо­лее то­го, пространство и вре­мя объ­еди­ня­ют­ся в нераз­рыв­ное пространство- вре­мя (че­ты­рех­мер­ное пространство Мин­ков­ско­го). От­сю­да и воз­ни­ка­ют все зна­ме­ни­тые па­ра­док­сы тео­рии от­но­си­тель­но­сти — за­мед­ле­ние вре­ме­ни, со­кра­ще­ние дли­ны, па­ра­докс близ­не­цов. Хо­тя тео­рия от­но­си­тель­но­сти да­ле­ка и от по­все­днев­но­го опы­та, и от обыч­ных ско­ро­стей (свет в два с лиш­ним мил­ли­о­на раз быст­рее са­мо­го быст­ро­го ав­то­мо­би­ля), это на­у­ка прак­ти­че­ская. Без нее, на­при­мер, не мо­жет быть уско­ри­те­лей, а они нуж­ны не толь­ко в ядер­ной фи­зи­ке, но и в ме­ди­цине, в мик­ро­элек­тро­ни­ке, в тех­но­ло­ги­ях без­опас­но­сти. Да­же про­стой GPS без нее ра­бо­тать не бу­дет. Чем вы­ше до­ступ­ные че­ло­ве­че­ству ско­ро­сти, тем нуж­нее тео­рия от­но­си­тель­но­сти. Кван­то­вая ме­ха­ни­ка Вто­рой важ­ней­шей ре­во­лю­ци­ей в фи­зи­ке XX ве­ка ста­ла кван­то­вая ме­ха­ни­ка. На­сколь­ко мож­но су­дить че­рез сто лет, кван­то­вая ме­ха­ни­ка воз­ник­ла из стрем­ле­ния под­пра­вить немно­го­чис­лен­ные и, как ка­за­лось, не ка­та­стро­фи­че­ские про­ти­во­ре­чия, на­ко­пив­ши­е­ся в фи­зи­ке к на­ча­лу ве­ка. Пер­вое про­ти­во­ре­чие — двой­ствен­ная при­ро­да све­та, в од­них слу­ча­ях он про­яв­ля­ет се­бя как вол­на, а в дру­гих — как ча­сти­ца. И вто­рая про­бле­ма, толь­ко что воз­ник­шая,— устой­чи­вость ато­мов. В 1910-х го­дах бы­ло экс­пе­ри­мен­таль­но уста­нов­ле­но (это сде­лал Ре­зер­форд), что атом со­сто­ит из по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­но­го яд­ра и вра­ща­ю­щих­ся во­круг него от­ри­ца­тель­ных элек­тро­нов. Но вра­ща­ю­щий­ся за­ряд обя­зан из­лу­чать элек­тро­маг­нит­ные вол­ны, те­ряя энер­гию. И в кон­це кон­цов упасть на яд­ро, а это­го не на­блю­да­ет­ся. Две за­да­чи за два де­ся­ти­ле­тия бы­ли ре­ше­ны. Прав­да, по­пут­но ока­за­лось, что это не мел­кие недо­ра­зу­ме­ния, а боль­шая про­бле­ма, из-за ко­то­рой при­шлось бук­валь­но пе­ре­вер­нуть всю клас­си­че­скую фи­зи­ку. Пе­ре­вер­нуть, но не опро­верг­нуть (об этом чуть даль­ше). Кван­то­вая ме­ха­ни­ка дей­ству­ет на мас­шта­бах, непри­выч­ных че­ло­ве­ку. Ее по­ле — мо­ле­ку­лы, ато­мы и даль­ше в глу­би­ну. По­это­му она ре­ши­тель­но про­ти­во­ре­чит здра­во­му смыс­лу ( для тео­рии от­но­си­тель­но­сти, как уже ска­за­но, это то­же вер­но, но к ней как-то лег­че при­вык­нуть). Та­кие ве­щи, как од­но­вре­мен­ное про­хож­де­ние че­рез два от­вер­стия и во­об­ще су­ще­ство­ва­ние в несколь­ких со­сто­я­ни­ях сра­зу, про­ник­но­ве­ние сквозь ба­рьер или, на­обо­рот, над­ба­рьер­ное от­ра­же­ние — в кван­то­вой ме­ха­ни­ке обыч­ное де­ло. К то­му же эта на­у­ка не толь­ко непри­выч­на, но и слож­на. В кур­се Лан­дау и Лиф­ши­ца она за­ни­ма­ет в 15 раз боль­ше ме­ста, чем тео­рия от­но­си­тель­но­сти. Кван­то­вая ме­ха­ни­ка слож­нее со­про­ма­та, хо­тя, как из­вест­но, слож­нее со­про­ма­та нет ни­че­го (са­мо это утвер­жде­ние по струк­ту­ре — кван­то­во­ме­ха­ни­че­ское). Но за­то кван­то­вая ме­ха­ни­ка, по-ви­ди­мо­му, са­мая ре­зуль­та­тив­ная на­у­ка XX ве­ка. Вся ра­дио- и мик­ро­элек­тро­ни­ка, во­об­ще все по­лу­про­вод­ни­ко­вые устрой­ства до iPhone 8 вклю­чи­тель­но — кван­то­вые. Атом­ная бом­ба то­же. И очень мно­го че­го еще. Кста­ти. Со­вре­мен­ная хи­мия, по­сколь­ку это на­у­ка о со­еди­не­ни­ях- разъ­еди­не­ни­ях ато­мов и мо­ле­кул,— это то­же кван­то­вая ме­ха­ни­ка. Про­сто у хи­ми­ков язык дру­гой, дру- гие, бо­лее удоб­ные им ме­то­ды ре­ше­ния урав­не­ния Шрё­дин­ге­ра. Но урав­не­ние-то кван­то­вое, фи­зи­че­ское. Са­ми хи­ми­ки с тру­дом от­ли­ча­ют фи­зи­че­скую хи­мию от хи­ми­че­ской фи­зи­ки. Хо­тя по но­мен­кла­ту­ре ВАК это со­вер­шен­но раз­ные спе­ци­аль­но­сти — 02.00.04 и 01.04.17, и в Ака­де­мии на­ук есть ин­сти­ту­ты с обо­и­ми на­зва­ни­я­ми. Со­вре­мен­ная фи­зи­ка еще даль­ше, чем тео­рия от­но­си­тель­но­сти и кван­то­вая ме­ха­ни­ка, ушла от че­ло­ве­че­ско­го мас­шта­ба — и вверх, в кос­мо­ло­гию, и вниз, в суб­атом­ные раз­ме­ры. По­это­му она еще бо­лее слож­на, еще ме­нее при­выч­на и по­нят­на, и по­это­му же — ме­нее прак­тич­на. В ны­неш­нем ве­ке ожи­дать « по­лез­ных » ре­во­лю­ций ско­рее сле­ду­ет в дру­гих на­у­ках, ве­ро­ят­нее все­го, в на­у­ках о жи­вом. Кон­сер­ва­тив­ные ре­во­лю­ции Обе тео­рии — и тео­рия от­но­си­тель­но­сти, и кван­то­вая ме­ха­ни­ка — ра­ди­каль­но из­ме­ни­ли пред­ше­ству­ю­щие пред­став­ле­ния. Но у ре­во­лю­ций в фи­зи­ке есть осо­бен­ность, ко­то­рая от­ли­ча­ет их от ре­во­лю­ций со­ци­аль­ных, эти­че­ских, ху­до­же­ствен­ных и иных. Ре­во­лю­ция, на­при­мер, со­ци­аль­ная но­ро­вит от­верг­нуть преды­ду­щее, при­зна­вая его невер­ным или по край­ней ме­ре уста­рев­шим, и вме­сто него по­ста­вить но­вое. В об­щем, отрях­нуть прах. В фи­зи­ке та­ких ре­во­лю­ций не мо­жет быть. Здесь неот­вра­ти­мо дей­ству­ет прин­цип со­от­вет­ствия — лю­бая но­вая тео­рия долж­на вклю­чать ста­рую как част­ный слу­чай. Тео­рия от­но­си­тель­но­сти, то есть ре­ля­ти­вист­ская ме­ха­ни­ка,— это на­у­ка о быст­ром дви­же­нии. Ес­ли дви­же­ние за­мед­лить, тео­рия долж­на вер­нуть­ся в ста­рую, клас­си­че­скую нере­ля­ти­вист­скую ме­ха­ни­ку. Фор­маль­но это озна­ча­ет, что ес­ли счи­тать ско­рость све­та бес­ко­неч­ной, то пре­об­ра­зо­ва­ния Ло­рен­ца — ос­нов­ной ма­те­ма­ти­че­ский эле­мент тео­рии от­но­си­тель­но­сти — долж­ны вер­нуть­ся к пре­об­ра­зо­ва­ни­ям Га­ли­лея. Так и про­ис­хо­дит. То же и с кван­то­вой ме­ха­ни­кой. Это на­у­ка о ма­лых ча­сти­цах. Уве­ли­чи­вая их, мы обя­за­ны вер­нуть­ся ту­да же, в клас­си­че­скую ме­ха­ни­ку. На уровне рас­суж­де­ний, ин­тер­пре­та­ций это бы­ва­ет до­воль­но хит­ро­ум­но. Вот при­мер. Лю­бой мик­ро­ско­пи­че­ский объ­ект, по­сту­ли­ру­ет кван­то­вая ме­ха­ни­ка, од­но­вре­мен­но яв­ля­ет­ся вол­ной и ча­сти­цей. Ино­гда за­мет­ней при­ме­ты вол­ны, ино­гда — ча­сти­цы. В прин­ци­пе, мак­ро­ско­пи­че­ские, боль­шие объ­ек­ты то­же под­вер­же­ны кор­пус­ку­ляр­но- вол­но­во­му ду­а­лиз­му. Но их вол­но­вые свой­ства бес­ко­неч­но сла­бы и по­то­му нена­блю­да­е­мы. Фор­маль­но- ма­те­ма­ти­че­ский же ре­цепт про­стой. Ес­ли счи­тать по­сто­ян­ную План­ка (эта фи­зи­че­ская кон­стан­та опре­де­ля­ет мас­штаб кван­то­вых яв­ле­ний) ну­лем, то урав­не­ния кван­то­вой ме­ха­ни­ки долж­ны пе­рей­ти в урав­не­ния ме­ха­ни­ки клас­си­че­ской. И пе­ре­хо­дят. То есть та и дру­гая тео­рии — про бы­ст­рых и про ма­лых — в со­от­вет­ству­ю­щих пре­де­лах ак­ку­рат­но сши­ва­ют­ся со ста­рой тео­ри­ей боль­ших и мед­лен­ных. И это, к сло­ву, на­деж­ный кри­те­рий от­се­ва лож­ных кон­цеп­ций. Опро­верг­нуть кван­то­вую ме­ха­ни­ку или тео­рию от­но­си­тель­но­сти невоз­мож­но, к ним мож­но толь­ко что-то « спе­ре­ди» при­пи­сать. Впро­чем, в про­фес­си­о­наль­ном со­об­ще­стве та­ких по­пы­ток дав­но не бы­ва­ет, а рост их чис­ла в об­ще­до­ступ­ном ин­фор­ма­ци­он­ном по­ле есть лишь один из симп­то­мов об­ще­го оди­ча­ния.

Нильс Бор

Макс Планк

Newspapers in Russian

Newspapers from Russia

© PressReader. All rights reserved.