Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов

Представьте себе ровно натянутую и разлинованную в клеточку резиновую поверхность – это пространство без гравитирующих масс. Все линии и углы тут прямые. Мы имеем модель двумерной поверхности, то есть плоскость – на плоскости есть только ширина и длина, но нет высоты. Невесомый шарик (фотон) будет катиться по этому прямому плоскому пространству прямолинейно. Такое прямое пространство называется эвклидовым в честь греческого геометра Эвклида.

Если теперь на эту плоскость положить массивный шар в виде тяжелой планетки, резиновая поверхность прогнется. Нарисованные на поверхности линии и углы растянутся и искривятся, причем чем ближе к шару, тем больше. И если снова запустить по этой резине какой-нибудь маленький пробный шарик, прямая траектория его движения неподалеку от тяжелого шара изогнется вслед за изогнутой поверхностью резины, а если скорость шарика невелика, он может вообще скатиться в прогнутую большим шаром ямку. Как бы притянется к нему. Но это «притяжение» лишь есть следствие изогнутости нашего двумерного пространства.

То же самое происходит и с нашим трехмерным пространством, просто его искривление представить себе не так просто, как искривление двумерной поверхности, то есть плоскости.

Таким образом, каждая масса в нашем мире, начиная от самых легких частиц до самых тяжелых звезд и галактик, формирует вокруг себя искривление пространства, которое перестает быть прямым, эвклидовым.

Искривленное двумерное (плоское) пространство, двигаясь по которому пробный шарик попадает в яму изогнутого пространства.

Но это еще не все хитрости старика Эйнштейна. По его теории, масса не только искривляет вокруг себя пространство, но еще и замедляет вблизи себя время, и чем больше масса – тем больше. Соответственно, возле Солнца время течет немного медленнее, чем около Земли.

Несмотря на все эти совершенно неочевидные вещи, теория Эйнштейна прошла все возможные экспериментальные проверки, и эффекты искривления пространства и замедления времени были зафиксированы приборно. Теория была блистательно доказана!.. Конечно, для тех масс, с которыми мы обычно имеем дело и на которых живем (Земля), эффект искривления пространства и времени слаб, но при должном старании ловится. А уж тут физики постарались, уверяю вас! И потому сегодня теория относительности является одной из главных и самых прекрасных драгоценностей в сокровищнице физической науки. Периодически взволнованные физики берут эту теорию дрожащими ручонками и, не отрывая глаз, тихо вздыхают, любуясь ею, будучи не в силах перенести восхищения.

Физика отличается от математики тем, что описывает не голые цифровые абстракции, а конкретный мир, хотя и с помощью математики. За математическими формулами в физике всегда стоит какая-то реальность, и если формулы эту реальность описывают неправильно, значит теория не верна, нужно подобрать другие формулы. Или даже не подобрать, а вывести, построив у себя в голове некую наглядную модель того, как происходят физические процессы – течет вода, летит тело под действием силы тяжести, нагревается тело, преломляется луч. Если выведенная формула соответствует результатам экспериментов, значит, наглядная модель, возникшая в голове теоретика, соответствует действительности – по крайне мере до определенных пределов.

Однако все было так только до начала ХХ века, поскольку ранее физика занималась изучением в основном макромира, а потом перешла к изучению микромира. И вот в физике микромира наглядность начала пропадать. Представить себе частицу в виде маленького шарика – легко. Представить себе волну – тоже не сложно. А вот как представить себе волно-частицу? Как представить, что один электрон прошел одновременно через две щели? Как представить себе виртуальный квант или возбужденный вакуум?..

В нашем макромире подобных объектов нет. В этом и состоит проблема современной физики: человек есть животное, приспособленное к жизни в мире твердых тел, то есть в макромире. То, к чему мы привыкаем с детства, живя в этом мире твердых тел, мы и считаем наглядным, то есть понятным. Наглядность есть функция привычки, не более. А проникновение силою ума в микромир лишило физиков наглядных картинок, оставив в их инструментарии только абстрактное мышление и чистую математику. У нас нет и не может быть представлений о микромире: наше тело заточено под выживание в макромире.

Но так больно было расставаться с наглядностью! Так трудно было расставаться с привычным и естественным! Например, для нас совершенно естественно, что параллельные линии не пересекаются. Однако для нас это естественно только потому, что мы привыкли жить в так называемом эвклидовом пространстве, где работает привычная школьная геометрия. Однако физики уже оперируют и другими геометриями – геометриями искривленных пространств, в которых параллельные вполне себе пересекаются.

– Физика изучает мир и потому не может обойтись без наглядности, – считали физики старой школы. – Ведь за формулами всегда стоит какая-то реальность! Нужно просто придумать такие модели, которые бы реальность адекватно описывали и давали возможность ее понять не только на уровне формул. Вот мы же может формулами описать сжатие пружины или полет пули, и можем эти процессы наглядно себе представить. Давайте же найдем такие наглядные модели, которые бы давали наглядное представление о событиях в микромире.

– А это невозможно, – жестко возражало новое, молодое поколение физиков. – Как можно представить себе «вектор состояния» или «волновую функцию»? Придется вам теперь обходиться только формулами! Хе-хе.

– Какие же вы все-таки мерзкие! – обижались старички. – Ведь быть такого не может, чтобы природа сама о себе чего-то не знала. Скорее всего это мы о ней чего-то еще не успели узнать, раскрыть каких-то ее секретов, поэтому нам и кажется, что в природе микромира царят случайность и неопределенность и что летящий электрон находится одновременно во всех точках пространства. А на самом деле – он где-то в одном месте. Просто нужно дальше изучать мир и постичь наконец скрытую пока еще от нас реальность. Потому как то, что получается из формул, просто противоречит интуиции!

– Да нет никакой скрытой реальности, дедки! – цинично смеялось над физиками старого поколения поколение молодое. И называло стремление стариков к наглядности «наивным реализмом». – А что касается интуиции, то она всего лишь порождение макромира и наших чувств, завязанных на макромир, забудьте про нее.

И вы уже знаете, что среди обиженных дедков были такие зубры, такие столпы физики, как Планк, де Бройль и Эйнштейн, которые сами стояли у истоков мировоззренческой катастрофы. Эти люди растерянно пытались найти хоть какие-то наглядные модели, чтобы описать корпускулярно-волновой дуализм и прочие чудеса микромира. А новое поколение только рукой махало, даже не пытаясь найти каких-то картинок, довольствуясь только формулами.

Об этом драматичном споре один из физиков новой волны – Макс Борн высказался так: «Нашу полемику нельзя назвать чисто научной дискуссией. Скорее, она напоминала религиозные споры времен Реформации. Так что надежд на примирение мало». И в общем, был прав. Мировоззренческая катастрофа была такой, что кое-кто из физиков на этой почве даже увлекся древнеиндийской философией, как это сделал, например, Эрвин Шредингер.

Усугубило катастрофу и то обстоятельство, что физике пришлось отказаться не только от концепции физической реальности, но и от концепции объективности! Раньше считалось, что есть объективный мир и есть субъект, то есть человек, который этот мир изучает. Объективность же мира в том и заключается, что он от субъекта никак не зависит. Он просто существует, вне зависимости от того, изучаем мы его или нет и кто этим занимается – Иванов, Петров или Сидорчук. Законы природы от нас не зависят, мы их просто познаем…

Но законы микромира оказались столь странными, что в них наблюдение субъекта за реальностью очень даже влияло на реальность! Объективная реальность оказалась зависящей от субъекта!

Вот пример.

Двухщелевой эксперимент с электроном, который пролетает в две щели и рисует на экране интерференционную картину. Итак, один электрон пролетел в две щели. «А может, все-таки в одну?» – с надеждой вопрошали физики-классики. Что ж, можно проверить. Можно неподалеку от одной из щелей поставить регистратор, который будет засекать, пролетел в эту щель электрон или нет. Если регистратор электрон засечет – значит, он действительно пролетел в эту щель. А если не засечет – значит в другую!