Loe raamatut: «65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё»

© Половников К.В., 2024

© ООО «Издательство АСТ», 2024

Предисловие

Я думаю, любой человек на том или ином этапе своей жизни задавался вопросами о том, как устроен окружающий его мир, какие силы управляют множеством природных явлений, как работают различные бытовые приборы и т. д. Сначала лавина этих вопросов обрушивается на родителей; потом, когда дети становятся старше, с этими вопросами начинают работать воспитатели детского сада и школьные учителя. Кому-то удается сохранить свое детское любопытство еще дольше и пронести его уже во взрослую жизнь, и тогда вопросы об устройстве мироздания адресуются специалистам и экспертам в интересующей человека области. И одним из таких специалистов стал я, когда защитил сначала диплом магистра физики, а потом – диссертацию. Мои друзья и знакомые, узнав, что я кандидат физико-математических наук, стали обращаться ко мне с просьбами объяснить природу всевозможных явлений с точки зрения физики.

Вопросы эти могут быть абсолютно разного масштаба и наивности: от каких-то бытовых (например, «Почему магниты притягиваются?» или «Как работает микроволновка?») до совершенно абстрактных (к примеру, «Что такое антиматерия?» или «Сколько лет нашей Вселенной?»). И за ответом на каждый из этих вопросов стоят десятки, сотни, а иногда и тысячи лет развития человеческой мысли, которые я попытался изложить на страницах этой книги. Так что ответ на даже самый простой и наивный вопрос о природе того или иного явления требует глубокого погружения в различные аспекты современных физических теорий. Поэтому я и назвал эти вопросы (не)детскими.

Книга, которую вы держите в руках, адресована сразу нескольким группам возможных читателей. Во-первых, любопытным детям, которым до зарезу нужно разобраться во всём, понять, как устроен мир вокруг и по каким законам это всё работает. А поскольку далеко не каждый взрослый оказывается способен им ответить и объяснить механизмы природных явлений, то второй группой моих потенциальных читателей я бы назвал именно таких родителей, которые хотят помочь своим детям понять устройство мира, сформировать базовые представления о физической реальности и развить их исследовательский интерес. И, наконец, третья группа читателей, к кому я обращаюсь на страницах данной книги, это взрослые, которые еще не растеряли свое природное любопытство и которые чувствуют, что им не хватает каких-то фундаментальных пониманий физической картины мира и они хотят дополнить и систематизировать свои собственные представления.

В этой книге я собрал ответы на наиболее часто задаваемые (как детьми, так и взрослыми) вопросы об устройстве мира, о том, какие законы природы стоят за повседневными вещами и явлениями, а также попытался описать базовые идеи и принципы, лежащие в основе современной физической картины мира. Всего получилось собрать 65 вопросов. Но ответ на один из них, наиболее важный и сложный, пришлось разбить на две части, поэтому вопросов стало 65 ½.

Какие-то вопросы могут вам показаться уж очень простыми, и вы без труда сможете и сами ответить на них – это здорово! Значит, просто пропустите эти главы и читайте только те, которые вызывают у вас интерес. Повествование данной книги составлено таким образом, что в ней можно читать только отдельные главы, получая ответы только на интересующие вас вопросы, и возвращаться к остальным главам позже, когда возникнут новые вопросы. Для этого книга снабжена множеством перекрестных ссылок, поскольку для более полного понимания ответов необходимы знания из разных разделов физики.

Либо вы можете читать все главы книги подряд. И тогда у вас будут постепенно складываться системные представления о физике как науке, а также об идеях и принципах, лежащих в основе каждого ее раздела. Тем более что для ответов на вопросы более поздних глав мы будем часто использовать идеи, описанные в ответах на более ранние вопросы.

Так что независимо от вашего стиля чтения желаю вам увлекательного погружения в одну из самых интересных сфер человеческого знания – в науку физику!

Введение

Вопрос 1. Как устроена наука физика?

История развития физики как науки берет свое начало с самых древних времен. Всю свою историю люди пытались понять, как устроен мир вокруг них, придумывали различные объяснения, которые впоследствии начали обретать форму все более сложных концепций и теорий. Какие-то из концепций со временем опровергались более точными наблюдениями или показывали свою неэффективность, не выдерживая конкуренции с более реалистичными объяснениями, и их приходилось отбрасывать или пересматривать. А какие-то идеи античных ученых физики используют до сих пор.

На сегодняшний день принято всю физику делить на два больших блока (или даже – научные парадигмы):

I. Классическая физика – сюда относятся такие разделы, как:

1) Классическая механика – изучает общие законы движения материальных тел и причины его возникновения (различные взаимодействия между телами).

2) Классическая электродинамика – изучает электрические и магнитные поля, их взаимосвязи друг с другом, а также различные электромагнитные явления (от появления статического электричества до работы электростанций или поездов на магнитных подушках).

3) Классическая термодинамика – изучает различные тепловые процессы, механизмы передачи энергии и ее превращение из одного вида в другой, а также возможные способы использования тепловой энергии в работе двигателей.

4) Оптика – изучает природу света, его поведение и свойства, законы распространения в разных средах и то, как он взаимодействует с веществом.

Все это составляет основу школьного курса физики, который практически полностью посвящен изучению именно классической картины мира, сформированной учеными примерно к концу XIX века. Однако с тех пор в физике много чего поменялось. Было открыто множество новых явлений, требующих для своего описания принципиально новых, даже где-то революционных идей. Так родилась вторая научная парадигма:

II. Неклассическая физика – сюда относятся такие разделы, как:

1) Квантовая механика (и квантовая теория поля) – описывает законы природы, работающие в микромире, на масштабе атомов, ядер и субатомных частиц; изучает закономерности их движения, взаимодействия друг с другом и внешними полями.

2) Теория относительности – описывает законы природы, работающие в макромире, на масштабе звездных систем, скопления галактик и даже целой Вселенной; изучает свойства самого пространства-времени, рассматривая пространство и время как единое целое.

Эти разделы были созданы учеными-физиками в первой половине XX века и продолжают развиваться до сих пор. Появились такие научные дисциплины, как квантовая оптика, квантовая термодинамика, релятивистская электродинамика и т. д. Они содержат в себе довольно сложные концепции, иногда противоречащие нашему повседневному опыту и здравому смыслу. Но тем не менее эти теории прекрасно описывают многие явления и отлично согласуются с экспериментом. На их основе работают компьютеры, мобильные телефоны, GPS-навигаторы и другие современные приборы. С ключевыми идеями и принципами этих теорий мы познакомимся на страницах этой книги и с их помощью попытаемся ответить на наши (не)детские вопросы.

Кроме того, физика бывает теоретической и экспериментальной. Физики-теоретики все время придумывают различные теории, описывающие всевозможные природные явления – и в этом деле обычно конкурируют сразу несколько теорий, пытающихся дать объяснение на основе разных идей и принципов. Многие из этих теорий достаточно убедительны и выглядят логически непротиворечивыми. Так какой из них отдать предпочтение? Какая из них все-таки имеет отношение к реальности, а какая является всего лишь красивой фантазией автора? Вердикт в этом споре теорий может вынести только эксперимент. Поэтому так важны физики-экспериментаторы – именно они проверяют на практике это множество теорий, чтобы указать именно ту, которая наиболее точно описывает природу.

Но в физике возможно и обратное движение, когда физики-экспериментаторы открывают какое-то новое явление, а потом теоретики либо пытаются объяснить его на основе уже существующих теорий, либо (если объяснить не получилось) придумывают новые теории, описывающие природу на более глубоком уровне. Именно так и появились электродинамика, квантовая механика, теория относительности и другие теории, о которых пойдет речь на страницах этой книги.

А начнем мы наше знакомство с удивительным миром физики с классической механики – раздела физики, который изучает движение тел и взаимодействия между ними. Ключевую роль в становлении классической механики сыграли Галилео Галилей, Рене Декарт, Роберт Гук и, конечно же, Исаак Ньютон, совершившие революционный прорыв в науке и положившие начало физике в ее современном понимании. И когда механика показала свою эффективность в объяснении всевозможных видов движения, ученые стали распространять эти принципы описания и методологию исследований на другие сферы: тепловые, электрические и магнитные явления. В первой части нашей книги мы познакомимся с ключевыми идеями классической механики, которые сформировали наши представления о мире как механизме.

Часть 1
Классическая механика

Вопрос 2. Что такое сила и как мы понимаем, что она как-то действует?

Поскольку механика изучает движение тел и взаимодействия между ними, то хорошо бы понять, что заставляет тела двигаться и как различные взаимодействия влияют на их движение. Для этого в физике используется понятие силы – одно из ключевых в классической механике.

Если мы спросим обычных людей, что такое сила, то скорее всего в качестве ответа услышим что-то про силу притяжения к Земле, которая не дает нам улететь с ее поверхности. То есть Земля создает силу, которая тянет нас вниз. Помимо гравитации, в природе также существует множество других сил (о них мы поговорим чуть позже). Все они отличаются друг от друга как своей природой, так и механизмами воздействия на разные предметы. Но как мы вообще понимаем, что на тело воздействует какая-либо сила? Только по двум возможным проявлениям:

1) тело изменяет свою скорость – при движении поворачивает в другую сторону, начинает ускоряться или замедляться либо просто начинает двигаться, если до этого покоилось;

2) тело изменяет свою форму – сжимается, растягивается или как-то иначе деформируется.

Например, если я возьму мяч и сожму его в руках, то форма мяча изменится, он станет уже не круглым, а чуть сплюснутым. Причиной этой деформации будет сила моих мышц. Или если я подниму мяч над землей и отпущу, то он начнет падать, постоянно ускоряясь, т. е. его скорость под действием силы притяжения Земли начнет увеличиваться. Это два примера того, как можно зафиксировать, что на мяч действует какая-либо сила.

Но что, если я просто положу мяч на пол? Он будет спокойно лежать на полу и никуда не будет двигаться. То есть мяч не деформируется, его скорость не изменяется. Но ведь при этом гравитация Земли не перестала на него действовать. Почему же тогда он ведет себя так, будто никакой силы притяжения не существует? А дело тут в том, что под весом мяча пол немного деформируется, так что возникает еще одна сила, равная по величине силе тяжести¹, но направленная в противоположную сторону. Получается, что сила тяжести тянет мяч вниз, а сила упругой деформации давит на мяч, отталкивая его от пола вверх. Эти силы компенсируют друг друга, в итоге результирующая сила оказывается равной нулю, и мяч продолжает лежать на месте. Поэтому при описании поведения различных тел мы должны учитывать сразу все силы, действующие на эти тела.

Рассмотрим еще один пример. Если взять металлическую пружину и подвесить к ней небольшой груз, т. е. подействовать на один из ее концов силой, равной весу груза, то пружина растянется. Причем (и это экспериментальный факт) величина деформации пружины пропорциональна весу груза: если мы подвесим груз в два раза тяжелее, то пружина растянется в два раза больше, а если подвесить груз в пять раз легче, то пружина растянется в пять раз меньше. Этот закон в 1660 году открыл английский ученый Роберт Гук (1635–1703), благодаря чему у физиков появилась возможность измерять величину абсолютно любой силы. Для этого достаточно приложить измеряемую силу к одному из концов пружины и измерить, насколько деформировалась эта пружина. Такой прибор называется динамометр, а принцип его работы лежит в основе конструкции практически всех весов², которые на самом деле измеряют не массу тела, а его вес, т. е. силу притяжения со стороны Земли.

Но можно не подвешивать груз к динамометру, а растягивать пружину своими руками или прицепить ее конец к автомобилю и попытаться на нем сдвинуться с места. В обоих этих случаях пружина будет растягиваться и, соответственно, динамометр покажет величину силы наших рук или силу тяги двигателя автомобиля. Таким образом можно поступить с любой силой. Так что теперь мы можем сказать, что сила – это физическая величина, характеризующая меру воздействия одних тел на другие (о существовании таких воздействий мы судим по изменению скорости или деформации) и измеряемая при помощи динамометра.

Вопрос 3. Сколько всего сил существует в природе?

В предыдущей главе мы рассмотрели несколько примеров сил – гравитацию, силу упругой деформации, мышечную силу и силу тяги двигателя автомобиля. В школе, помимо этих сил, также изучают силу трения, силу реакции опоры, магнитную силу и многие другие. Но сколько всего различных сил существует в природе? Наверняка ведь не бесконечное множество? Оказывается, в нашем мире, по большому счету, всего четыре. Это так называемые фундаментальные силы или фундаментальные взаимодействия: гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия. Каждую из этих сил мы рассмотрим отдельно и более подробно в соответствующих главах этой книги: гравитации посвящена Часть 5, электромагнетизму – Часть 2, а сильное и слабое взаимодействия мы обсудим в Части 6. Все остальные силы, с которыми мы можем столкнуться, являются производными от какой-то из этих четырех.

Например, сила упругости возникает из-за того, что при деформации твердого тела молекулы, из которых оно состоит, немного смещаются, и между ними начинают действовать электромагнитные силы, стремящиеся вернуть их в исходное положение. Так что сила упругости – это не самостоятельная сила, а производная от электромагнитной, это просто сумма миллиардов и триллионов электрических сил, действующих между отдельными молекулами деформированного тела. Посчитать и просуммировать все эти микроскопические взаимодействия, конечно же, невозможно. Поэтому для практических расчетов используют не силы, действующие между отдельными молекулами, а их результирующую сумму и называют ее силой упругости.

Другой пример – сила Архимеда. Это та самая сила, которая выталкивает предметы из воды и не дает утонуть даже очень большим и тяжелым кораблям. Также благодаря ей происходит конвекция: теплый (и менее плотный) воздух поднимается вверх, а холодный (более плотный) опускается вниз. Действие силы Архимеда обусловлено гравитацией и силами упругости, возникающими в жидкости при ее сжатии под действием гравитации. Поэтому в состоянии невесомости (например, на космической станции) эта сила не действует и там из воды никакие предметы не выталкиваются.

Или еще пример – мышечная сила. Откуда она берется? Напряжение мышц вызывается силами упругости, создаваемыми нашими костями и мышцами. А эти силы упругости опять же имеют электромагнитное происхождение.

Конечно, возможно, в природе существуют еще какие-то силы, о которых мы не знаем. Но чтобы это утверждать, необходимо предъявить примеры воздействия этих сил, которые невозможно объяснить на основе четырех уже известных. Если будет обнаружено явление, при котором какое-либо физическое тело, лежащее без движения, вдруг начинает двигаться или менять свою форму, но при этом на него не будет действует ни одна из четырех известных сил (либо их производных), то только тогда мы сможем утверждать, что зафиксировали действие какой-то новой силы. Однако пока никаких процессов, в которых участвуют какие-то неизвестные науке взаимодействия, обнаружить не удалось. Только эти четыре фундаментальные силы.

Вопрос 4. Что такое инерция, или Почему мы падаем, когда спотыкаемся?

Представим себе, что автомобиль начинает движение и разгоняется до скорости 50 км/ч. Почему его скорость увеличивается? Потому что на него действует сила тяги двигателя. Но что будет, если теперь автомобиль выключит двигатель и эта сила перестанет действовать? Опыт нам подсказывает, что автомобиль начнет замедляться и в итоге остановится. И так будет происходить со всеми движущимися телами – рано или поздно, когда действие вынуждающий силы прекращается, все они останавливаются. Чтобы движение продолжалось, тело нужно постоянно тянуть или подталкивать. Поэтому наш повседневный опыт нам говорит, что естественным состоянием любого тела (когда на него не действует никакая сила) является состояние покоя. Именно так думал один из величайших мыслителей, древнегреческий философ Аристотель (384–322 г. до н. э.), а вслед за ним эту мысль повторяли и многие поколения ученых вплоть до XVII века.

Но оказалось, что не всё так просто. Ведь мы же знаем, что любое изменение скорости (как ускорение, так и замедление) есть результат действия некоторых сил. Значит, на автомобиль действует какая-то сила, которая вынуждает его снижать скорость и в итоге остановиться. Эта сила называется силой трения. Именно из-за нее все движущиеся на Земле тела через какое-то время останавливаются. Если бы ее не было, то наш автомобиль продолжал бы катиться до тех пор, пока во что-нибудь не врезался. В физике это стремление всех тел оставаться в состоянии покоя либо равномерного и прямолинейного движения называется инерцией.

Эту мысль впервые осознал Галилео Галилей (1564–1642), выдающийся итальянский физик, астроном, основатель экспериментальной физики, да и всей классической механики. Он провел множество экспериментов, в которых скатывал шары по наклонным поверхностям и фиксировал изменение положения и скорости шаров. Оказалось, что при движении вниз скорость шаров постоянно увеличивается, а при движении вверх – постоянно уменьшается. Причем чем больше сделать угол наклона поверхности, тем больше будет ускорение шаров Т. е., если мы запускаем шар вверх по наклонной плоскости, сообщив ему какую-то начальную скорость, то с каждой секундой он будет катиться все медленнее. Но если наклон сделать меньше, то и торможение будет не таким быстрым. В пределе, если наклон вообще исключить, то по ровной поверхности шар будет двигаться с постоянной скоростью, не тормозя и не разгоняясь. Так что без воздействия вынуждающей или тормозящей силы шар должен двигаться с постоянной скоростью. Получается, что равномерное и прямолинейное движение, когда скорость тела не меняется ни по величине, ни по направлению, – это тоже в каком-то смысле естественное состояние. Движущееся тело никогда не остановится, если на него не подействует какая-то внешняя сила.

Проиллюстрируем этот принцип на всем знакомом примере. Когда мы идем куда-то по своим делам и не смотрим себе под ноги, то можем не заметить препятствие на земле, и наш ботинок может зацепить за какой-то предмет. Тогда наши ноги провзаимодействуют с этим предметом и резко потеряют свою скорость. А верхняя часть нашего тела, в том числе голова, будет стремиться остаться в исходном состоянии и продолжить свое движение вперед. Получается, что наши ноги остаются на месте, а голова движется вперед. Это очень неустойчивое состояние, поэтому мы и падаем.

Галилей продолжал свои исследования до глубокой старости. Уже будучи слепым стариком, находясь под домашним арестом за свои еретические высказывания об устройстве мира, противоречащие учению церкви, он пишет одну из самых важных книг в истории физики нового времени – «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению». В ней Галилей формулирует ключевые идеи и методологические принципы, которые впоследствии легли в основу всей классической механики. Втайне от инквизиции он пересылает рукопись книги в Голландию, где в июле 1638 года ее наконец-то печатают.

Книга произвела настоящий фурор в научной среде. Впервые ученый так смело излагает свои идеи, не ссылаясь ни на учение Аристотеля, ни на библейские тексты, а только на свои собственные наблюдения и эксперименты. Поскольку только эксперимент может подтвердить или опровергнуть любое теоретическое суждение. В этом состоит еще одна из несомненных заслуг Галилея – именно он ввел в науку требование экспериментальной проверки любых гипотез. Какими бы логичными и убедительными нам ни казались те или иные суждения, без экспериментальной проверки их нельзя принимать просто на веру (даже если их высказал Аристотель или еще какой-то признанный авторитет).

Идеи Галилея сразу же подхватили многочисленные последователи. Со всей Италии в его дом устремляются коллеги-ученые, чтобы обсудить многочисленные научные задачи, открывшиеся в свете его новой книги. Скромное жилище Галилея превращается в настоящий научный институт со множеством лабораторий и усердно работающих в них ученых. Вплоть до самой своей смерти Галилей встречался с учениками, ведя с ними бесконечные беседы в попытках передать им свое понимание физических процессов и законов, которым они подчиняются.

Даже после смерти Галилея его учение продолжило шагать по Европе и добралось до берегов туманного Альбиона, где жил и работал Исаак Ньютон (1642–1727), английский физик и математик, одна из ключевых фигур в истории всей современной науки. Ему удалось развить идеи Галилея и оформить их в стройную научную теорию, которая носит теперь название классической механики. В 1687 году Ньютон издает свою знаменитую работу «Математические начала натуральной философии», в которой излагает основные законы классической механики, носящие теперь его имя. Оказалось, что для классического описания всех механических явлений достаточно всего лишь трех законов. Далее мы все их перечислим.