Теория быстрых и теория малых

ХХ век
в зеркале своих революций

Помимо русской революции, столетие которой сейчас отмечает мир, ХХ век пережил множество других великих революций, изменивших ход истории, наши представления о мире и отношения с ним, условия жизни и способы ее проживания, образ мыслей и иерархию ценностей. Weekend и его авторы отмечают 100-летие Октября 1917-го портретной галереей важнейших революций ХХ века

Теория быстрых и теория малых

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.

теория относительности

1905

Вся наука в двух статьях

У специальной теории относительности нет таймлайна, только таймпоинт. Практически в окончательном виде она была сформулирована в двух статьях Альберта Эйнштейна 1905 года — "Elektrodynamik bewegter Koerper" ("К электродинамике движущихся тел") и "Ist die Traegheit eines Koerpers von seinem Energieinhalt abhaengig?" ("Зависит ли масса тела от содержащейся в нем энергии?"). Теория, конечно, возникла не на пустом месте, предшественники были (важнейшие — Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре). Но вклад Эйнштейна историки науки считают определяющим

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, другие, более удобные им методы решения уравнения Шредингера. 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.

квантовая механика

1900

Первый квант

Пытаясь обосновать известную из эксперимента формулу для спектра теплового излучения, Макс Планк предположил, что электромагнитное излучение распространяется порциями, и таким образом впервые ввел понятие кванта. Именем Планка позднее была названа важнейшая постоянная квантовой механики

1905

Первый дуализм

Воспользовавшись квантами, Альберт Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта и попутно впервые продемонстрировал корпускулярно-волновой дуализм. Между прочим, Нобелевскую премию Эйнштейн получил не за теории относительности (специальную или общую), а именно за фотоэффект

1913

Старая квантовая механика

В трех опубликованных в 1913 году статьях Нильс Бор сформулировал то, что позднее будет названо "старой квантовой механикой" — постулаты, объясняющие устойчивость атомов. Но сами постулаты оставались пока необъясненными

1924

Полный дуализм

Луи де Бройль выдвинул гипотезу о том, что корпускулярно-волновой дуализм есть универсальное свойство материи, то есть любые волны — одновременно и частицы, а частицы — одновременно и волны

вторая половина 1920-х

Новая квантовая механика

Усилиями нескольких физиков, главным образом немецких (Шредингер, Гейзенберг, Борн, Иордан, Паули), построены основные постулаты и правила квантовой механики. Важным был также вклад советских ученых Льва Ландау и Владимира Фока. В завершение англичанин Поль Дирак сформулировал универсальный математический язык квантовой механики

конец 1940-х

Квантовая механика — 3

Ричард Фейнман (США) предложил альтернативную формулировку квантовой механики ("интегралы по траекториям"), эквивалентную стандартной, но часто гораздо более удобную для вычислений. К тому же теория Фейнмана позволяет просто и наглядно проследить "возвращение" к классической, доквантовой физике. Кстати, позднее именно Фейнман предложил идею квантового компьютера

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.

Приобретения

Огромное расширение сферы доступных физике явлений. И по масштабу времени — от ничтожных атомных времен до гигантских космических, и по масштабу расстояний. С вытекающими практическими последствиями.

Две научные революции, одна за другой перевернувшие устоявшиеся представления, приучили к переворотам. Развитие науки пошло много быстрее, и качественные скачки стали восприниматься как естественный процесс.

Потери

Утрата веры в повседневный опыт. Из физики ушла ясность, наглядность. То, что раньше было здравым смыслом, теперь стало "физической интуицией" и приобрело гораздо более причудливые очертания. Зашаталась картезианская идея о предельной познаваемости мира, понимаемая буквально, например, как возможность однозначно предсказать результат любого измерения.

Математический аппарат физики стал гораздо сложнее. Математических знаний, которых с лихвой хватало физикам конца позапрошлого века, теперь и третьекурсникам мало.