ЗАДАЧИ ФИЗИКИ

Без участия воображения все наши сведения о природе ограничились бы классификацией фактов.

Д. Тнндаль

Есть две близкие и вместе с тем разные профессии - экспериментальная и теоретическая физика. У них общая цель - познание мира вещей; их методы разные, но они немыслимы друг без друга.

Физик формулирует свои законы, пользуясь математическими понятиями и математическим аппаратом, но задачи и методы в математике и физике резко различаются.

Наметим, разумеется только в очень общих чертах, главные направления и важнейшие задачи физики.

Экспериментаторы и теоретики

Существуют два типа физиков - экспериментаторы и теоретики, причем эти две профессии почти никогда не совмещаются в одном человеке. Физики-экспериментаторы исследуют соотношения между физическими величинами, или, говоря более торжественно, открывают законы природы, пользуясь экспериментальными установками, то есть производя измерения физических величин с помощью приборов. Надо глубоко понять связи между изучаемыми величинами, чтобы знать, как и что измерять. Физики-теоретики изучают природу, пользуясь только бумагой и карандашом, выводят новые соотношения между наблюдаемыми величинами, опираясь на найденные ранее экспериментально и теоретически законы природы. Причина разделения этих двух профессий не только в том, что каждая из них требует специальных знаний - знания методов измерения в одном случае и владения математическим аппаратом - в другом. Главная причина в том, что эти профессии требуют различных типов мышления и различных форм интуиции. Интуиция, то есть способность подсознательно находить правильный путь, играет важнейшую роль, особенно на первых стадиях работы. Поскольку теоретическая физика имеет дело с более отвлеченными понятиями, чем физика экспериментальная, физику-теоретику требуется более абстрактная форма интуиции, близкая иногда к интуиции математика.

В прошлом веке, когда физика не была еще так специализирована, многие физики совмещали обе профессии. Так, Джеймс Кларк Максвелл, получивший удивительные уравнения, объединяющие электричество, магнетизм и оптику, занимался и экспериментами. Генрих Герц, обнаруживший экспериментально электромагнитные волны, был одновременно и хорошим теоретиком. И все-таки в каждом случае можно указать, какая нз профессий главная: для Максвелла - это теоретическая физика, а для Герца - экспериментальная.

В XX веке одним из са*мых замечательных физиков-экспериментаторов был английский ученый Эрнест Ре-зерфорд; изучая рассеяние альфа-частиц на атомах, он установил существование положительно заряженного ядра с радиусом, в 10 тысяч раз меньшим, чем радиус атомной оболочки. Великим физиком-теоретиком был Альберт Эйнштейн. Пользуясь только бумагой и карандашом, он создал теорию относительности, согласно которой время течет по-разному в неподвижной системе и в системе, движущейся равномерно относительно наблюдателя. Как показали эксперименты последних десятилетий, быстродвижущиеся нестабильные частицы, например мюон или пи-мезон, распадаются медленнее, чем неподвижные, в точном соответствии с предсказаниями теории относительности. При скорости, приближающейся к скорости света, время жизни частицы неограниченно возрастает.

Замечательный итальянский физик Энрико Ферми наряду со многими другими теоретическими работами создал теорию радиоактивного распада и вместе с физиками своей группы открыл экспериментально, что почти все элементы становятся радиоактивными при бомбардировке нейтронами. Но и в этом случае можно сказать, что главная профессия - теоретическая физика.

Прекрасным теоретиком, тесно связанным с экспериментом, был покойный академик Герш Ицкович Будкер, у которого теоретическая физика совмещалась с замечательными инженерными идеями. Он теоретически разработал ускоритель на встречных пучках заряженных частиц и руководил его созданием в новосибирском академгородке. В таком ускорителе вся энергия идет на рождение новых частиц, тогда как при столкновении энергичной частицы с неподвижной мишенью на рождение идет только малая доля.

Приведенные исключения подтверждают правило, и молодой человек, интересующийся физикой, должен решить для себя, какую из двух профессий он выбирает.

Физика и математика

Задача физика-теоретика - получать соотношения между наблюдаемыми величинами с помощью математических выкладок. Не означает ли это, что теоретическая физика представляет собой нечто вроде прикладной математики? Нет, не означает. И по характеру задач, и по методам подхода к задачам математика и физика категорически различаются.

В математике важнейшую роль играет логическая строгость, безупречность всех выводов вместе с исследованием всех логически возможных соотношений, вытекающих из принятых аксиом. Задача физики - воссоздать по возможности точную картину мира без строгих правил игры, используя все известные экспериментальные и теоретические факты, используя основанные на интуиции догадки, которые в дальнейшем будут проверены на опыте. Так, математик исследует все логически возможные типы геометрий; физик же выясняет, какие геометрические соотношения осуществляются в нашем мире.

Математик, даже если он занимается прикладными задачами, пришедшими не из математики, берется за решение только тех проблем, которые не требуют дополнительных недосказанных предположений. Физик, как правило, имеет дело с задачами, в которых имеющихся исходных данных недостаточно для решения, и искусство состоит в том, чтобы угадать, какие недостающие соотношения реализуются в природе. Именно для этих догадок требуется не математическая, а физическая интуиция.

Убедительность в физике достигается получением одного и того же результата из разных исходных предпосылок, при этом приходится вводить лишние, логически не необходимые, «аксиомы», каждая из которых сама по себе не абсолютно достоверна. Единственное условие - уметь оценивать степень убедительности того или иного предположения и ясно понимать, какие из них требуют дальнейшей проверки.

Разумеется, очень полезно анализировать структуру физической теории, то есть выяснять, из каких исходных предпосылок получаются те или иные результаты. Однако главное в таком аксиоматическом подходе не общность и математическая строгость выводов, а правильный выбор исходных предположений и оценка того, какие из них наиболее достоверно подтверждены опытом, а для этого требуется интуиция физика. Когда такую работу проделывает математик, он обязательно, хотя бы на время делается физиком-теоретиком. Иначе он рискует оказаться, по выражению польского сатирика Ежи Леца, в положении эскимоса, который вырабатывает для жителей Конго правила поведения во время жары.

Итак, математика и физика - науки с разными задачами и с разными методами подхода к задачам.

В математике достоверность результатов достигается логической строгостью и анализом всех логически возможных решений. В физике рассматриваются только

те решения, которые могут осуществиться в природе, и достоверность достигается многократной проверкой сделанных предположений. Математическая строгость в физике представляет собой невозможную и ненужную роскошь. Добиваться ее так же не нужно, как не нужно требовать от бригадиров лесоповала, чтобы они на работе разговаривали стихами. Но вместе с тем физик-теоретик должен свободно владеть математическим аппаратом, знать и уметь использовать все те математические методы, которые могут оказаться полезными при решении физических задач.

Пути развития

Если какая-либо область физики достигнет такого развития, что все ее результаты можно будет вывести из нескольких строго установленных экспериментально аксиом, то она перестанет быть частью развивающейся физической науки и перейдет в раздел прикладной математики или техники. Так произошло с классической и с релятивистской механиками и с электродинамикой.

Перечислим главные направления, по которым идет развитие теоретической физики.

Это прежде всего получение количественных соотношений между наблюдаемыми величинами. Так, пользуясь законами движения электронов в металле, теоретики рассчитали кривую зависимости электрического сопротивления от температуры и объяснили природу сверхпроводимости.

Еще одно направление - обсуждение и теоретический расчет физических экспериментов. Работающие в этом направлении теоретики обычно не только рассчитывают, но и предлагают эксперименты, которые особенно важны для развития теории. В связи с увеличением стоимости опытов это направление делается все более важным.

Прикладная физика занимается проблемами, которые в обозримом будущем могут привести к практическим применениям. Например, одна из важнейших задач прикладной физики - проблема создания высокотемпературной сверхпроводимости или получение управляемой термоядерной реакции.

Следующий путь - создание адекватных методов математического описания законов природы. Сюда входят использование и развитие тех методов математики, которые позволяют выявить свойства симметрии законов природы. Количественное завершение идей общей теории относительности (теории тяготения) стало возможным только в результате применения методов описания геометрических свойств, изменяющихся от точки к точке. Для многих задач теоретической физики наиболее подходящий способ - решение с помощью ЭВМ.

И наконец, самое главное в экспериментальной и теоретической физике - поиски общих принципов, лежащих в основе законов природы, таких, как причинность, законы сохранения, свойства симметрии мира…

Итак, задача физики - намечать пути к пониманию единства, симметрии и динамики явлений, пути к пониманию красоты Вселенной, к использованию законов природы на благо человечества.