в зеркале своих революций
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.
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.
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.