Pичард Фейнман - Характер Физических Законов

Pичард Фейнман

Характер Физических Законов

К читателю.

(Предисловие ко второму русскому изданию).

Проф. Я. А. Смородинский

В книге, которую Вам предстоит прочесть, собраны необычные лекции. В этих лекциях рассказано о законах физики, о том, как современная наука объясняет явления в окружающем нас мире. Нельзя сказать, что сама тема необычная, напротив, об этом написано очень много, тем более что автор не очень удаляется от того, о чем рассказано в школьном учебнике физики.

Нет сомнения, что Вы знаете о законе всемирного тяготения и, скорее всего, что-то читали о теории относительности. Конечно, Вам знакомы и основные идеи теории теплоты. Почти обо всем, о чем предстоит прочесть, Вы где-нибудь читали или слышали раньше. Тем не менее это не повторение старого, и книгу следует прочесть, так как обо всем в ней написано по-другому, написано необычно: необычен автор лекций и необычно то, как автор ведет свой рассказ.

Автор Ричард Фейнман - один из самых ярких физиков нашего времени. Его имя связано с великими событиями в физике, которые произошли в конце 40-х годов. Это было время кризиса квантовой механики. Существовавшие методы квантовой механики позволяли с большим успехом описать огромное количество явлений, происходящих с атомами и молекулами, но они оказались непригодными для описания взаимодействия, заряженных частиц с электромагнитным полем. Привычные для физиков расчеты давали бессмысленные бесконечные выражения, и казалось, что связь теории с опытом утрачена. И действительно, теория оказалась бессильной в описании квантовых свойств электромагнитного поля. Нужны были новые идеи, которые позволили бы объединить старую теорию электромагнитного поля и электродинамику Максвелла с квантовой механикой релятивистских частиц. В 1947 г. произошло открытие нового пути. Его совершили три человека: Ричард Фейнман, Юлиан Швингер и Синьитиро Томонага. Совершилось рождение квантовой электродинамики, необычайно красивого и мощного раздела физики, о котором, как мы надеемся, Вы узнаете в высшей школе. Работы молодых тогда физиков были отмечены осенью 1965 г. Нобелевской премией (английское издание настоящей книги вышло за несколько месяцев до этого события) и открыли путь развитию теории элементарных частиц{1}.

Фейнман - не только крупный физик, он еще и талантливый лектор, который умеет рассказать и о достижениях физиков, и о том, как физика делается. В развитии науки очень трудно понять самое главное: когда и почему человек начал задавать вопросы природе и когда он начал искать общую причину разных событий. Наверное, это произошло ; в Древней Греции, когда философы и естествоиспытатели (их нельзя еще было отличить друг от друга) стали обсуждать свойства чисел, свойства языков, находить первые законы природы. Они поняли, что любые утверждения надо не только проверять на практике, но и доказывать логически (а не ссылаться на волю богов или авторитет жрецов), и они научились это делать. С тех пор неисчерпаемая жажда знаний превратилась в движущую силу развития цивилизации.

В лекциях, собранных в книге, Фейнман рассказывает о том, как развивается процесс познания, как совершаются открытия. Лекции были прочитаны довольно давно, в 1964 г., в Корнеллском университете в США, университете, который окончил сам Фейнман. Лекции имели успех и потом передавались по радио и телевидению. И хотя с тех пор прошло много времени, в них почти ничего не устарело.

Развитие науки далеко не всегда идет по законам логики. В критические периоды логика рассуждений ломается, и естествоиспытатель порой сам не вполне понимает глубокий смысл свершенных перемен: понимание происходит лишь много лет спустя. Физик часто объясняет другим то, что он еще сам не вполне понимает. Фейнман даже говорил: "...Я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает...". Может быть, такое высказывание слишком категорично, но до последнего времени в квантовой механике открываются новые черты, о которых никто не знал двадцать лет назад. Рожденная наука живет своей жизнью и раскрывает перед изумленными исследователями все новые качества, о которых ее создатели не подозревали. И это относится не только к физике, но и к математике.

В давние времена человек придумал ряд натуральных чисел. Переход от один, два, ... много к счету больших множеств был, конечно, большим достижением. Но удивляться надо тому, что этот как будто бы придуманный ряд обладает самыми разными свойствами, не менее богатыми, чем любое физическое явление. В разделе математики - теории чисел - доказываются теоремы, выдвигаются и проверяются гипотезы и даже ставятся опыты на ЭВМ. Придуманный ряд натуральных чисел обрел свою жизнь, и уже много поколений математиков изучают его свойства.

Физик знает, что даже в законах, которые считаются хорошо установленными, могут возникнуть слабые места, что в хорошо изученном явлении могут открыться новые черты. Так, закон всемирного тяготения заслужил положение самого фундаментального закона. Ньютон, сидевший (по популярной легенде, придуманной, по-видимому, Вольтером) под яблоней, догадался, что закон падения яблока и закон движения Луны один и тот же. Однако некоторые физики обратили внимание, что этот закон плохо проверен на небольших расстояниях, и нет, строго говоря, оснований отрицать, что этот закон может немного нарушаться на расстояниях в несколько метров. То, что Луна движется, подчиняясь закону Ньютона, несомненно, а падает ли яблоко по тому же закону, следует еще проверить. Даже если такие сомнения не подтвердятся, пример показывает, как могут стать шаткими основания, на которые опирается наша уверенность в понимании природы.

В последней своей лекции автор рассказывает об элементарных частицах. Сейчас мы знаем о них несравненно больше, чем двадцать лет (а теперь уже 35 лет! - V.V.) назад, и они уже не представляются столь беспорядочным множеством. Мы сейчас знаем о кварках и о поле глюонов, которые обеспечивают взаимодействие между ними. Правда, кварков оказалось слишком много, и их стали различать по "аромату" и "цвету". Это просто названия, как бывают "Москвичи" и "Жигули", и они сами по себе ничего не означают. Ароматов бывает три, цветов тоже три, и каждому цвету и аромату отвечает пара кварков; так что всего кварков 18. Постепенно проясняется и вопрос о том, зачем в природе так много лишних "деталей", какую роль играют столь много частиц{2}.

Сейчас все знают или, быть может, только думают, что знают, что в процессе развития Вселенной участвовали все наборы частиц, обеспечивая устойчивость рождающихся миров и направляя Вселенную к тому замечательному состоянию, в котором мы с Вами живем и читаем книги. Законы элементарных частиц, управляющие процессами, происходящими на очень малых расстояниях (меньших, скажем, 1 ферми = 10-13 см), оказались важными в процессах рождения галактик и звезд и самой Вселенной. В огромных масштабах миллиардов парсеков (1 парсек = 3,26 световых лет = ~ 3 x 1016 м) проверяются законы, открытые в микромире. Произошло необычайное расширение поля действия, поля исследования. Сейчас строятся ускорители, которые будут создавать частицы с энергией в десятки ТэВ (тераэлектрон-вольт: 1 ТэВ=1012 эВ). Среди них могут появиться частицы, масса которых превышает самые тяжелые атомные ядра. Невозможно даже предвидеть, какие открытия произойдут в следующие двадцать лет. Прогнозы о том, что физика завершила свое развитие, весьма далеки от истины.

Напротив, она продолжает развиваться, путь ее уходит в далекое будущее. Нельзя сомневаться, что и за видимым горизонтом человечество ждут неожиданные открытия, и вряд ли движение науки вперед когда-либо оборвется. Развитие науки и человеческий прогресс - это две стороны одного и того же процесса.

Вступительное слово ректора

Корнеллского университета

Д. Корсона

Леди и джентльмены, я имею честь представить вам нынешнего лектора Мессенджеровских чтений профессора Ричарда Фейнмана из Калифорнийского технологического института.

Профессор Фейнман - выдающийся физик-теоретик, многое сделавший для того, чтобы навести порядок в той путанице, которой отмечено захватывающее развитие физики в послевоенный период.

Р. Фейнман выполнил свою дипломную работу в Массачусетсском технологическом институте, а затем занимался в аспирантуре Принстонского университета. Он участвовал в работах, проводившихся по так называемому Манхэттенскому проекту, сначала в Принстоне, а позже в Лос-Аламосе. В 1944 г. он получил звание ассистента профессора в Корнеллском университете, но занял эту должность только по окончании войны. Мне было интересно узнать, что говорили о нем, когда присуждалось это звание, поэтому я просмотрел протоколы попечительского совета... и не обнаружил там никаких записей об этом событии. Там имеется, однако, около двадцати записей о предоставлении отпусков, увеличении жалованья и повышении в должности.