Для любознательных

Начало см. в выпусках «Научных сред» № 9-10 (289-290) 2014; (291-292),293-294 2015

Физик, занимающийся задачами первого типа, то есть использующий только надежные и проверенные рецепты, застрахован от неудач. Самое страшное, что он может услышать от коллег - это то, что его работа не очень интересна. Сложнее со вторым типом задач, где нужно придумывать свои методы и иногда предлагать свои модели. В этом случае значительно труднее добиться признания. Люди с трудом воспринимают новое, а физики зачастую ревнивы к успехам друг друга.

Отнюдь не все модели, предлагавшиеся физиками, оказываются правильными. Например, в течение нескольких десятилетий существовала модель атома, предложенная известным физиком Дж. Томпсоном, который в 1897 году открыл электрон. В этой модели атом состоял из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженного вещества, равномерно размазанного по всему объему атома. После экспериментов Резерфорда выяснилось, что положительный заряд концентрируется в очень малом (в масштабе атома) объеме, и от модели Томпсона отказались. Однако нельзя считать, что время и силы, потраченные на разработку модели, которую впоследствии пришлось отвергнуть, были потрачены зря. Теория или модель, даже оказавшаяся неверной, может содержать в себе красивые моменты, как в шахматной партии. Среди развивающихся сегодня направлений физики элементарных частиц есть очень математизированная «теория струн», не имеющая шансов быть проверенной на эксперименте в ближайшие десятилетия. Скорее всего, работающие сегодня физики так и не узнают, насколько удачно эта теория описывает природу.

Часто задачи возникают из необходимости объяснить результаты эксперимента. Известный пример связан с историей открытия планеты Нептун в середине XIX века. К концу XVIII века было известно шесть планет Солнечной системы: Земля, Марс, Венера, Меркурий, Юпитер, Сатурн. В 1781 году была открыта седьмая планета – Уран. Вычислять движения планет, то есть, указать, куда и когда направить телескоп, чтобы планету увидеть, люди уже умели. Но с Ураном что-то не получалось. Тогда два астронома - француз Леверье и англичанин Адамс предположили, что есть еще одна планета, влияющая на движение Урана, и не оказывающая заметного влияния на движение других планет. Гипотетическую планету назвали Нептуном. Исходя из наблюдений за Ураном, вычислили и траекторию Нептуна, предсказав, как ее можно будет увидеть. Последующими наблюдениями за ночным небом в телескоп в 1846 году расчеты были подтверждены.

В этом случае эксперимент подтвердил расчеты, проведенные в рамках существовавших к тому времени теоретических знаний. В начале ХХ века общая теория относительности Эйнштейна предсказала отклонение света гравитационным полем Солнца. В этом случае опыт потребовался для проверки новой теории, что и было проделано в 1919 году А. Эддингтоном.

Опасный соблазн для теоретика - иметь желаемую закономерность или число. Такой психологический настрой может невольно привести к тому, что без всяких оснований отбрасываются механизмы процесса, приводящие к другим результатам. Другой соблазн - слишком рано включить компьютер. Разумеется, благодаря компьютерам теперь решаются задачи, к которым несколько десятилетий назад нельзя было подступиться. Но компьютер выполняет четко сформулированные команды, и обращение к нему должно быть столь же четко обдумано.

Свои проблемы и у экспериментаторов. Мы уже видели, что иногда трудно выяснить, что именно измеряется. Это может привести к сенсационным открытиям, однако сенсации эти часто живут недолго. Лет 20 назад сообщалось об открытии нейтральной элементарной частицы, которая лишь в 30 раз легче электрона. До этого было известно, что, во всяком случае, нет частиц, более тяжелых, нежели 1/100000 масса электрона. Открытие меняло многие взгляды на физику элементарных частиц и имело серьезные последствия для эволюции Вселенной, так как такие частицы должны были бы накапливаться в межзвездном пространстве. Несколько групп подтвердили открытие, другие же новой частицы не видели. Неопределенность длилась, чуть ли не 10 лет. Выяснилось все же, что такой частицы нет. Возможны и обратные ситуации. В двадцатых годах, исследуя космические лучи, Д. В. Скобельцын изучал след, образуемый электроном в магнитном поле. На нескольких фотографиях след соответствовал электрону, который поворачивал в сторону, противоположную ожидаемой, и эти фотографии были отброшены как брак. Спустя несколько лет К. Андерсоном был открыт позитрон, частица, имеющая ту же массу, что и электрон, но с противоположным зарядом. Именно его след был на отброшенных фотографиях.

В последнее время у экспериментаторов, занимающихся элементарными частицами, возникла еще одна проблема. Для решения теоретических задач требуются все большие энергии. Мощные ускорители требуют больших средств. Строить их могут себе позволить лишь самые богатые страны. Ограничены и чисто технические возможности увеличения энергий. Правда, очень энергичные частицы иногда прилетают к нам с космическими лучами, но таким способом мы можем получать лишь разрозненные данные.

То, насколько математические исследования оказываются востребованными физикой, носит какой-то мистический характер. Древнегреческие математики изучали конические сечения, то есть кривые, получаемые на плоскости, пересекающей конус. Спустя полторы тысячи лет оказалось, что по эллипсам ходят планеты вокруг Солнца, по параболам летают ядра и снаряды, параболоид фокусирует солнечные лучи. В начале XIX века математики начали исследовать неэвклидову геометрию, она пригодилась спустя почти 100 лет в общей теории относительности. Математический аппарат, используемый квантовой механикой, был развит за несколько десятилетий раньше до ее создания. Этот список можно продолжить.

Вступает физика и в соприкосновение с искусством. Хотя Пушкин устами своего героя скептически говорит о «проверке алгебры гармонией», здания, скульптуры и картины воспринимаются нами как гармоничные при определенном математическом соотношении между их элементами. Разные цвета видимого нами мира соответствуют разным длинам электромагнитных волн. Каждая нота соответствует определенной частоте колебаний воздуха. В принципе, партитуры можно было бы писать не с помощью нотной грамоты, а в виде набора чисел, соответствующих частотам колебаний. Выяснилась и еще одна забавная закономерность. Приятный для уха звук (консонанс) при одновременном звучании двух нот получается, если отношение (результат деления) частот нот выражается как отношение небольших чисел, например 2:3. В противном случае, если это отношение сравнительно больших чисел, например 11:13, то получается диссонанс, неприятный звук. Впрочем, возможно, что последнее наблюдение - случайность. Десятичную систему счисления придумали люди, в другой системе числа записывались бы по-другому. Да и понятие приятного и неприятного звука могут оказаться разными для людей из разных языковых групп.

Есть и еще одно наблюдение, которое при желании может настроить на философский лад. Представим себе, что нейтрон стал легче на одну десятитысячную своего нынешнего веса, а протон и электрон не изменились. Тогда атом водорода, то есть система из протона и электрона станет тяжелее, чем нейтрон. Тяжелая система может распасться на несколько более легких, вот и атом водорода перейдет в нейтрон (это называется обратный бета-распад). Ни атомов, ни молекул вообще не будет, останутся только ядра. А что будет, если нейтрон станет чуть тяжелее? Известно, что энергия, которую Земля получает от Солнца - результат цепочки ядерных реакций. При более тяжелом нейтроне величина выделяемой энергии другая. Жизнь на Земле при таких условиях невозможна. Невозможна она и при небольших изменениях других параметров микромира. Это утверждение, сделанное лет 30 назад американским астрофизиком Б. Картером, названо «антропным принципом». Суть его в том, что все физические параметры микромира как будто специально подобраны (и понадобилась очень тонкая настройка) так, чтобы жизнь, и, в частности, люди, могли существовать.

По-видимому, достижения физики повлияли и на ход мировой истории. Известно, что Вторая мировая война закончилась ядерной бомбардировкой. С тех пор несколько государств обзавелись ядерным оружием, а его разрушительная мощность резко возросла, отношения между крупнейшими странами мира не раз резко обострялись, но никогда не доходили до критической точки.

Лет 50 назад Борис Слуцкий написал стихотворение, в котором противопоставлял физиков и лириков. Под «лириками», по-видимому, подразумевались люди искусства и вообще гуманитарии. Вырванное из контекста (по некоторым сведениям это было шуточное стихотворение), это противопоставление стало затасканным штампом. Из различных мемуаров известно, что среди друзей таких выдающихся отечественных физиков как Л. Д. Ландау и А. Б. Мигдал было много писателей и художников. Кстати, Ландау дружил со Слуцким. В свою очередь многие гуманитарии интересовались успехами точных наук и техники.

Обычно любят рассказывать, что Пушкин, учась в лицее, не любил математику. Конкретных доказательств этого нет, зато известно, что проезжая в 1833 году Казань, А. С. Пушкин встречался с Н. И. Лобачевским и просил его рассказать о новых идеях в геометрии. Впоследствии, издавая журнал «Современник», Пушкин привлек князя П. Б. Козловского для написания, выражаясь современным языком, научно-популярных статей. Дипломат и литератор, много лет проведший в Европе, друживший с Байроном и Гейне, Козловский, по словам В. Ф. Одоевского, умел «говорить и писать о сложных и затруднительных предметах просто и живописно». В 1836 - 37 годах он опубликовал в «Современнике» три статьи по вопросам математики и физики, одна из них была о паровых машинах. В вечер перед роковой дуэлью Пушкин просил Вяземского напомнить Козловскому, что в журнале ждут его статью. Гораздо ближе к нашим дням, в шестидесятых годах ХХ века писатель Анатолий Найман навещал Иосифа Бродского в его северной ссылке. Поэта принудительно отправили на однодневные курсы «Действия гражданской обороны в случае ядерного нападения». Курсы открывались лекцией, в которой популярно рассказывалось о механизмах взрывов урановой и водородной бомб. Протоны, нейтроны, распад и синтез ядер… Бродский, не интересовавшийся ранее физикой, услышал об этом впервые и был поражен гармонией нового для него мира. В течение нескольких дней он задавал Найману, окончившему технический вуз, все новые и новые вопросы.

Пик своей популярности в ХХ веке физика прошла в пятидесятых-шестидесятых годах. Устрашающее ядерное оружие и атомные ледоколы, искусственные спутники, полеты космонавтов вокруг Земли и на Луну - все это производило впечатление. Автор этих строк помнит, что еще в начале семидесятых годов в ответ на вопрос о профессии слово «физик» звучало не просто как наименование одной из специальностей, а казалось какой-то претензией. В течение последних десятилетий престиж науки уменьшился, да и наиболее яркие результаты получены, скорее, в биологии. В нашей стране этот эффект еще более заметен, так как резкие перемены, произошедшие в конце восьмидесятых годов прошлого века, открыли много новых возможностей для самореализации, создав, впрочем, и новые проблемы.

В связи с этим в средствах массовой информации иногда обсуждаются «возможные меры для привлечения молодежи в науку». Сама постановка вопроса неверна: в услугах зазывал физика не нуждается. По-прежнему находится много молодых людей, имеющих вкус к той жизни, о которой я попытался рассказать. И в университет, и к нам в институт постоянно приходит пополнение. Иногда люди с явными способностями к занятиям физикой приезжают из глубокой провинции. А сколько из них не доезжают до крупных центров образования! Нужно искать способных людей, например, организовывать физические и математические олимпиады в сельских школах.

Довольно часто физики, начавшие свою работу в отечественных институтах, вскоре уезжают за границу. И дело далеко не только в разнице зарплат «у нас и у них». Дело в общественном статусе научной деятельности. Воспитанники отечественной школы физики получили пять Нобелевских премий за последние двенадцать лет. В США, правда, около двадцати лауреатов, но в Европе - больше, чем у нас, нет ни у кого. Например, в Германии четыре лауреата, в Великобритании - два. Казалось бы, это законный повод для национальной гордости. События, которые можно и нужно использовать в патриотическом воспитании молодежи. Но средства массовой информации практически этого не заметили.

Однако в физику приходят все новые люди. Трудная и увлекательная жизнь физического сообщества продолжается.

Д-р физ.-мат. наук Е. Г. Друкарев

Из лекции, прочитанной гимназистам.