65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Кирилл Половников (2024)

Книга кандидата физико-математических наук и популяризатора науки Кирилла Половникова построена по принципу «вопрос — ответ». А вопросов, которыми человек задается в течение своей жизни, набралось немало — от обычных бытовых до совершенно абстрактных: Почему магниты притягиваются? Как работает микроволновка? Что такое антиматерия? Сколько лет нашей Вселенной? И еще многие-многие другие. За ответом на каждый из них стоят десятки, сотни, а иногда и тысячи лет развития человеческой мысли. Автор описал базовые идеи, лежащие в основе современной физической картины мира, простым и доступным языком, благодаря чему книга будет понятна как взрослым, так и детям. Желаем вам увлекательного погружения в одну из самых интересных наук — физику! В формате PDF A4 сохранен издательский макет книги.

Введение

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.

Кроме того, физика бывает теоретической и экспериментальной. Физики-теоретики все время придумывают различные теории, описывающие всевозможные природные явления — и в этом деле обычно конкурируют сразу несколько теорий, пытающихся дать объяснение на основе разных идей и принципов. Многие из этих теорий достаточно убедительны и выглядят логически непротиворечивыми. Так какой из них отдать предпочтение? Какая из них все-таки имеет отношение к реальности, а какая является всего лишь красивой фантазией автора? Вердикт в этом споре теорий может вынести только эксперимент. Поэтому так важны физики-экспериментаторы — именно они проверяют на практике это множество теорий, чтобы указать именно ту, которая наиболее точно описывает природу.

Но в физике возможно и обратное движение, когда физики-экспериментаторы открывают какое-то новое явление, а потом теоретики либо пытаются объяснить его на основе уже существующих теорий, либо (если объяснить не получилось) придумывают новые теории, описывающие природу на более глубоком уровне. Именно так и появились электродинамика, квантовая механика, теория относительности и другие теории, о которых пойдет речь на страницах этой книги.

А начнем мы наше знакомство с удивительным миром физики с классической механики — раздела физики, который изучает движение тел и взаимодействия между ними. Ключевую роль в становлении классической механики сыграли Галилео Галилей, Рене Декарт, Роберт Гук и, конечно же, Исаак Ньютон, совершившие революционный прорыв в науке и положившие начало физике в ее современном понимании. И когда механика показала свою эффективность в объяснении всевозможных видов движения, ученые стали распространять эти принципы описания и методологию исследований на другие сферы: тепловые, электрические и магнитные явления. В первой части нашей книги мы познакомимся с ключевыми идеями классической механики, которые сформировали наши представления о мире как механизме.