Физика может дать пытливому уму массу пищи для размышлений, а при определённых условиях — развить критическое мышление. Однако вот вам парадокс: физика средней школы имеет мало общего с наукой сегодняшнего дня. Подавляющее большинство понятий и явлений, изучаемых миллионами школяров по всему миру, берёт начало в XVII– XIX веках! Так почему же мы продолжаем изучать физику в таком виде?
Как правило, на уроках физики в школе всё объясняется «на пальцах», без привлечения сложного математического аппарата. В итоге большинство выпускников представляют физику в виде законченной конструкции, небрежно состыкованной из разнородных блоков. Десяток формул, обрывочные сведения из разных областей и твёрдое убеждение, что все тайны мироздания открыты — готово! К физике можно больше не возвращаться. И это полбеды! Гораздо хуже то, что процесс познания представляется неспешной прогулкой по асфальтовой дорожке от одной темы к другой. В этой «системе координат» ошибочные взгляды и неверные теории выглядят шарлатанством.
ОШИБКА НЕЗНАНИЯ
Однако в реальности многие «ошибки» были допущены из-за системного дефицита точных данных. Удивительно, как на имеющихся крохах мыслители умудрялись выстраивать логически завершённые теории и создавать непротиворечивые модели, которыми человечество пользовалось сотни лет.
Например, геоцентрическая система. При её упоминании большинство сегодняшних студентов-астрономов иронично улыбается. Но давайте на минуту забудем про МКС, Hubble и мобильные телефоны — попытаемся вжиться в шкуру А, А и П и рассмотрим геоцентрическую систему с практической точки зрения. Объясняет она суточное движение светил? Да, вполне. Фазы планет? Конечно. Движение Солнца по эклиптике? А как же! То есть подавляющее большинство небесных явлений приемлемо объясняется в рамках геоцентрической модели. Стройной системе противоречит едва ли не единственный факт — попятное движение планет. Впрочем, и этой проблеме нашли решение, введя эпициклы. Они несколько усложняют модель, но сложная модель — не значит неправильная.
Вершиной её развития можно считать комбинированную геогелиоцентрическую систему, в которой Земля покоится в центре, Солнце и Луна обращаются вокруг Земли, а все пять известных тогда планет — вокруг Солнца. Как писал один из её создателей, величайший астроном-наблюдатель Т Б: «эта гипотеза в любом отношении не противоречила бы как математике, так и физике, и избежала бы теологического осуждения». Говорить так учёный имел полное право — его модель исчерпывающе объясняла видимое движение планет. Более того, в большинстве школьных задач по механике локальное взаимодействие объектов происходит в системе отсчёта неявно. Такую систему можно считать не просто геоцентрической, но и вообще плоскоземельной, погружённой в однородное гравитационное поле. Так что, решая задачи на движение тела, брошенного под углом к горизонту, при развитом воображении можно «увидеть», как снаряд долетит до края Земли и упадёт на спину слону, который её держит.
ГЕОЦЕНТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
В этой модели центральное место во Вселенной отводится планете Земля, все остальные планеты, звёзды и Солнце вращаются вокруг неё. Такая модель не объясняет, почему планеты иногда движутся с востока на запад, то есть в направлении, противоположном движению Солнца. Более того, это ставило в тупик античных астрономов, считавших планеты божествами, которым надлежит совершать только равномерные движения.
ГЕОЦЕНТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ЭПИЦИКЛЫ
Эпициклы были введены, чтобы объяснить неравномерное движение Солнца, Луны и планет в геоцентрической модели. Согласно новой модели, планета равномерно движется по малому кругу (меньший пунктирный круг) с центром в (•), который называют эпициклом. Центр эпицикла, в свою очередь, движется по большому кругу (больший пунктирный круг) с центром в (×) — деферентом.
ГЕО-ГЕЛИОЦЕНТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
В гео-гелиоцентрической модели Луна и Солнце вращаются вокруг Земли (голубые орбиты). Остальные известные к тому времени планеты: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн — вращаются вокруг Солнца (оранжевые орбиты). Для наблюдателя с Земли эта модель ничем не отличается от гелиоцентрической модели.
ПЛЕЧИ ГИГАНТОВ
Галилео Галилей Заложил основы экспериментальной физики и классической механики. Галилей — один из основоположников принципа относительности в классической механике, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна система или находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.
Исаак Ньютон
Один из создателей классической физики. Математически описал фундаментальный закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики.
Жозеф Лагранж
Завершил математизацию классической механики. Ввёл обобщённые координаты и разработал принцип наименьшего действия.
Уильям Гамильтон
Ввёл понятие предельного общего вариационного принципа наименьшего действия, применяемого во многих разделах физики. Сформулировал свою механику с полезными техническими дополнениями, с более глубокой математичес кой структурой.
Джеймс Максвелл
Заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвелла), кинетичес кой теории газов ( установил распределение молекул газа по скоростям), количес твенной теории цветов.
Альберт Эйнштейн
Один из основателей современной теоретической физики, предсказал гравитационные волны и «квантовую телепортацию».
БЛУЖДАЮЩИЙ ЦЕНТР МИРА
Первым поместил Солнце в центр мироздания вовсе не К . По некоторым данным, автором гелиоцентрической системы как математической модели, позволяющей не только объяснять, но и предсказывать небесные явления, был древнегреческий астроном и философ А С. Но сведения эти обрывочны и косвенны, поэтому безоговорочно присудить ему первенство невозможно. Важно другое: модель Аристарха Самосского уступила авторитету Аристотеля и Птолемея, величайших умов античной Греции, и была забыта почти на полторы тысячи лет. Так что далеко не всегда правда побеждает заблуждения и ложь.
Переход к гелиоцентрической картине мира, невозможный в научной атмосфере раннего Средневековья, совпал с крайне важной переменой в философии науки: стараниями Г абстрактная метафизика уступила место эксперименту. Именно последний стал объективным мерилом истинности теории, выраженной языком математики. Рядовому землянину гораздо ближе и нагляднее именно Птолемеева модель мироустройства. Действительно, изо дня в день он видит, как Солнце восходит в восточном квадранте, описывает по небу дугу, высота которой зависит от времени года, и скрывается за горизонтом на западе. Повторяя наблюдения из месяца в месяц, его более внимательный коллега заметит, что Солнце смещается по эклиптике, дважды в год пересекая небесный экватор. При известной сноровке можно точно предсказывать затмения, смену фаз, кульминации светил и многое другое. И всё это — на основе совершенно неверной теории! Близкая к истине гелиоцентрическая система в быту неудобнее, поскольку требует массы поправок на собственное орбитальное движение Земли.
А прямое доказательство модели Коперника было получено только в 1728 году, когда астроном Д Б открыл и верно интерпретировал аберрацию — периодическое «гуляние» видимого положения звёзд, которое возникает из-за движения Земли вокруг Солнца. А ещё через столетие, когда точность определения угловых величин выросла до десятых долей секунды, были измерены годичные параллаксы некоторых звёзд. Странная ситуация! С одной стороны — теория, более-менее удовлетворительно объясняющая большинство явлений, но ошибочная. С другой — модель, долгие столетия считавшаяся геометрической абстракцией и не доказанная экспериментально. Почему же гелиоцентрическая система победила? Во-первых, она просто и элегантно развязала «гордиевы узлы» астрономии (вроде попятного движения планет). Во-вторых (и в-главных), система Коперника проложила дорогу Н к формулировке теории тяготения и, таким образом, к возведению грандиозного здания классической механики, в котором мы с вами до сих пор и обитаем.
МЕХАНИКА НАШЕГО МИРА
До сих пор? А как же электромагнетизм, термодинамика, оптика, ядерная физика, наконец? Ведь они, на первый взгляд, явного отношения к законам Ньютона не имеют. Но весь фокус в том, что имеют, и самое прямое! Поясним: ньютонова механика (её фундамент — три закона Ньютона, закон всемирного тяготения и законы сохранения импульса и энергии) работает в «тепличных» условиях — ей нужны небольшие скорости, ощутимые массы и сравнительно небольшое количество взаимодействующих объектов, которые можно принять за точку. Механический «спектакль» должен происходить на сцене, ускорение которой равно нулю, а в идеальном варианте такой должна быть вся Вселенная. В подавляющем большинстве случаев всё гораздо сложней. Способом примирить ньютоновскую механику с реальным миром стали уравнения Л и Г, которые представляют собой математическую интерпретацию аксиом Ньютона. Они вызвали появление новой области физики — аналитической механики, на которой выросло здание современной физики, в том числе и те её разделы, которые отстоят далеко от механики как таковой.
Краеугольный камень статистической физики — теорема Лиувилля, позволяющая описывать поведение систем с произвольным числом степеней свободы, — является развитием механики Лагранжа — Гамильтона. Из аналитической механики выросли и теория электромагнетизма Максвелла, и квантовая механика, и общая теория относительности. О последней стоит сказать особо. Работа Э — это своего рода возврат к истокам. Дело в том, что закон всемирного тяготения устанавливает только количественные соотношения,применимые в узком диапазоне условий. Иными словами, мы можем довольно точно рассчитать, как притягиваются два шара, но не можем объяснить, почему они это делают. Внутренний «механизм» тяготения остаётся тайной за семью печатями
ЧТО ТОЛКАЕТ ТЕЛА ДРУГ К ДРУГУ?
В середине XVIII века швейцарский математик Ж Л Л предпринял попытку наделить закон всемирного тяготения физическим содержанием. Без него теория Ньютона — сугубо математическая модель из трёх модулей: собственно закона тяготения, закона изменения скорости (того самого a = ) и средств математического анализа (дифференциального и интегрального исчислений). Лесаж предположил, что Вселенная пронизана мириадами частиц, летящих с огромной скоростью во всех возможных направлениях. По свободному телу частицы бьют со всех сторон, создавая взаимно компенсируемое давление, направленное внутрь. А вот два тела будут экранировать потоки частиц, так что вдоль линии, их соединяющей, возникнет недостаток давления, и тела начнут сближаться-притягиваться.
Сегодня модель Лесажа представляет только исторический интерес, хотя сам Ньютон с интересом и уважением относился к попыткам физической интерпретации своего закона всемирного тяготения, благоразумно умалчивая об очевидных «нестыковках» вроде дальнодействия (сила самопроизвольно передаётсямгновенно на любое расстояние) и гравитационного парадокса (почему всё вещество во Вселенной, притягиваясь друг к другу, не соберётся в конце концов в один гигантский шар?). И кто бы мог подумать, что с притяжением будет связана одна из самых плодотворных теорий в естествознании, значимость которой сравнима с принятием гелиоцентрической системы! Речь идёт об общей теории относительности (ОТО), без которой невозможно представить современную астрофизику и космологию. ОТО заставила нас распрощаться с простой и легкопредставимой моделью трёхмерного эвклидова пространства. Правда, и тут не обошлось без ограничений.
Самой острой проблемой остаётся необходимость «вписать» гравитацию на микроуровень, дополнить конструкцию механизма взаимодействия элементарных частиц тяготением. И с этим возникают грандиозные сложности: до сих пор квантовая теория гравитации остаётся «крепким орешком», с которым многие учёные связывают системный кризис физики, исчерпавшей импульс, приданный ей Ньютоном и Эйнштейном. Обилие альтернативных моделей гравитации говорит только об общей растерянности учёных-теоретиков, пока не слишком понимающих, куда же двигаться дальше. А ведь как всё просто казалось в самом-самом начале, на школьных уроках физики!
