Я думаю, любой человек на том или ином этапе своей жизни задавался вопросами о том, как устроен окружающий его мир, какие силы управляют множеством природных явлений, как работают различные бытовые приборы и т. д. Сначала лавина этих вопросов обрушивается на родителей; потом, когда дети становятся старше, с этими вопросами начинают работать воспитатели детского сада и школьные учителя. Кому-то удается сохранить свое детское любопытство еще дольше и пронести его уже во взрослую жизнь, и тогда вопросы об устройстве мироздания адресуются специалистам и экспертам в интересующей человека области. И одним из таких специалистов стал я, когда защитил сначала диплом магистра физики, а потом – диссертацию. Мои друзья и знакомые, узнав, что я кандидат физико-математических наук, стали обращаться ко мне с просьбами объяснить природу всевозможных явлений с точки зрения физики.
Вопросы эти могут быть абсолютно разного масштаба и наивности: от каких-то бытовых (например, «Почему магниты притягиваются?» или «Как работает микроволновка?») до совершенно абстрактных (к примеру, «Что такое антиматерия?» или «Сколько лет нашей Вселенной?»). И за ответом на каждый из этих вопросов стоят десятки, сотни, а иногда и тысячи лет развития человеческой мысли, которые я попытался изложить на страницах этой книги. Так что ответ на даже самый простой и наивный вопрос о природе того или иного явления требует глубокого погружения в различные аспекты современных физических теорий. Поэтому я и назвал эти вопросы (не)детскими.
Книга, которую вы держите в руках, адресована сразу нескольким группам возможных читателей. Во-первых, любопытным детям, которым до зарезу нужно разобраться во всём, понять, как устроен мир вокруг и по каким законам это всё работает. А поскольку далеко не каждый взрослый оказывается способен им ответить и объяснить механизмы природных явлений, то второй группой моих потенциальных читателей я бы назвал именно таких родителей, которые хотят помочь своим детям понять устройство мира, сформировать базовые представления о физической реальности и развить их исследовательский интерес. И, наконец, третья группа читателей, к кому я обращаюсь на страницах данной книги, это взрослые, которые еще не растеряли свое природное любопытство и которые чувствуют, что им не хватает каких-то фундаментальных пониманий физической картины мира и они хотят дополнить и систематизировать свои собственные представления.
В этой книге я собрал ответы на наиболее часто задаваемые (как детьми, так и взрослыми) вопросы об устройстве мира, о том, какие законы природы стоят за повседневными вещами и явлениями, а также попытался описать базовые идеи и принципы, лежащие в основе современной физической картины мира. Всего получилось собрать 65 вопросов. Но ответ на один из них, наиболее важный и сложный, пришлось разбить на две части, поэтому вопросов стало 65 ½.
Какие-то вопросы могут вам показаться уж очень простыми, и вы без труда сможете и сами ответить на них – это здорово! Значит, просто пропустите эти главы и читайте только те, которые вызывают у вас интерес. Повествование данной книги составлено таким образом, что в ней можно читать только отдельные главы, получая ответы только на интересующие вас вопросы, и возвращаться к остальным главам позже, когда возникнут новые вопросы. Для этого книга снабжена множеством перекрестных ссылок, поскольку для более полного понимания ответов необходимы знания из разных разделов физики.
Либо вы можете читать все главы книги подряд. И тогда у вас будут постепенно складываться системные представления о физике как науке, а также об идеях и принципах, лежащих в основе каждого ее раздела. Тем более что для ответов на вопросы более поздних глав мы будем часто использовать идеи, описанные в ответах на более ранние вопросы.
Так что независимо от вашего стиля чтения желаю вам увлекательного погружения в одну из самых интересных сфер человеческого знания – в науку физику!
Вопрос 1. Как устроена наука физика?
История развития физики как науки берет свое начало с самых древних времен. Всю свою историю люди пытались понять, как устроен мир вокруг них, придумывали различные объяснения, которые впоследствии начали обретать форму все более сложных концепций и теорий. Какие-то из концепций со временем опровергались более точными наблюдениями или показывали свою неэффективность, не выдерживая конкуренции с более реалистичными объяснениями, и их приходилось отбрасывать или пересматривать. А какие-то идеи античных ученых физики используют до сих пор.
На сегодняшний день принято всю физику делить на два больших блока (или даже – научные парадигмы):
I. Классическая физика – сюда относятся такие разделы, как:
1) Классическая механика – изучает общие законы движения материальных тел и причины его возникновения (различные взаимодействия между телами).
2) Классическая электродинамика – изучает электрические и магнитные поля, их взаимосвязи друг с другом, а также различные электромагнитные явления (от появления статического электричества до работы электростанций или поездов на магнитных подушках).
3) Классическая термодинамика – изучает различные тепловые процессы, механизмы передачи энергии и ее превращение из одного вида в другой, а также возможные способы использования тепловой энергии в работе двигателей.
4) Оптика – изучает природу света, его поведение и свойства, законы распространения в разных средах и то, как он взаимодействует с веществом.
Все это составляет основу школьного курса физики, который практически полностью посвящен изучению именно классической картины мира, сформированной учеными примерно к концу XIX века. Однако с тех пор в физике много чего поменялось. Было открыто множество новых явлений, требующих для своего описания принципиально новых, даже где-то революционных идей. Так родилась вторая научная парадигма:
II. Неклассическая физика – сюда относятся такие разделы, как:
1) Квантовая механика (и квантовая теория поля) – описывает законы природы, работающие в микромире, на масштабе атомов, ядер и субатомных частиц; изучает закономерности их движения, взаимодействия друг с другом и внешними полями.
2) Теория относительности – описывает законы природы, работающие в макромире, на масштабе звездных систем, скопления галактик и даже целой Вселенной; изучает свойства самого пространства-времени, рассматривая пространство и время как единое целое.
Эти разделы были созданы учеными-физиками в первой половине XX века и продолжают развиваться до сих пор. Появились такие научные дисциплины, как квантовая оптика, квантовая термодинамика, релятивистская электродинамика и т. д. Они содержат в себе довольно сложные концепции, иногда противоречащие нашему повседневному опыту и здравому смыслу. Но тем не менее эти теории прекрасно описывают многие явления и отлично согласуются с экспериментом. На их основе работают компьютеры, мобильные телефоны, GPS-навигаторы и другие современные приборы. С ключевыми идеями и принципами этих теорий мы познакомимся на страницах этой книги и с их помощью попытаемся ответить на наши (не)детские вопросы.
