В
конце 16 в. в теоретической астрономии возник кризис, распространившийся
и на другие области естествознания. Его результатом стал полный переворот
во взглядах человека на самого себя и на окружающий его мир. Событие,
послужившие причиной такого переворота, внешне выглядело вполне заурядно:
в 1543 вышла в свет книга Коперника Об обращениях небесных сфер (De
Revolutionibus), в которой было показано, что движение небесных тел
легче понять и описать, если предположить, что в центре Солнечной
системы находится Солнце, а Земля – лишь одна из планет, которые обращаются
вокруг него. Старая птолемеевская теория помещала неподвижную Землю
в центр мироздания, а звезды и планеты, которые мыслились расположенными
на прозрачных сферах, обращались вокруг Земли.
Новая теория предлагала по-новому посмотреть на устройство мира. По
Аристотелю, Земля находится в центре мироздания потому, что состоит
из тяжелых веществ, которых заставило собраться в центре мира их естественное
движение. Каждый объект во Вселенной имеет свое собственное место,
к которому он стремится, если может двигаться свободно и если его
место не занято чем-то другим, что должно находиться в другом месте.
Место земли, воздуха, огня и воды – под самой низкой сферой, сферой
Луны. Все в более высоких сферах состоит из особой субстанции – эфира
– и не подвержено ни изменению, ни гибели. Понятия собственного места
и назначения применимы повсюду: в царствах растений и животных, в
человеческих сообществах, в нематериальном мире. Выше всего этого
стоит Бог, придающий смысл мирозданию и дарующий ему существование.
Солнечная система была важной частью Божественного замысла, и когда
Коперник поставил под вопрос эту часть, стало ясно, что опасность
грозит и всему целому.
К началу 1600-х годов опасность стала еще более реальной. Немецкий
астроном И.Кеплер (1571–1630) усовершенствовал коперниковскую теорию,
заменив круговые орбиты эллипсами, а неравномерное движение – равномерным,
после чего новая теория стала настолько точной, что обращение к старой
стало просто неуместным. В 1608 флорентийский математик и физик Галилео
Галилей (1564–1642) изобрел телескоп, с помощью которого вскоре удалось
получить наглядное подтверждение правильности новой теории, и решился
высказать мысль, которая должна была произвести переворот в умах итальянцев
и прежде всего – в умах папы Урбана VIII и кардиналов.
«О философии – писал Галилей – можно прочесть в величественной книге
– я имею в виду Вселенную, и эта книга постоянно открыта нашему взору,
но понять ее может лишь тот, кто сначала научится постигать ее язык
и толковать символы, которыми она пользуется. Написана же она на языке
математики, а символы ее – треугольники, круги и другие геометрические
фигуры, без которых человек не смог бы понять в ней ни единого слова;
без них он был бы обречен блуждать в потемках по лабиринту».
Тысячу лет люди искали истину в бесконечных спорах о латинских текстах
отцов церкви. Оказывается, они использовали не тот язык и не те книги.
После нескольких тайных заседаний суда инквизиции Галилею было запрещено
следовать коперниковскому учению. Галилей не подчинился и в 1633 в
возрасте 70 лет был вызван на публичный процесс, отрекся от своего
учения, несмотря на это, был приговорен к пожизненному домашнему аресту.
Но этот запрет вернул Галилея к фундаментальным исследованиям, и через
пять лет он опубликовал свой последний и наиболее значительный труд
Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей
науки (рус. перевод 1934). Науки эти – статика, занимающаяся изучением
сил, находящихся в равновесии, и динамика, изучающая движения под
действием сил. Эта работа Галилея стала основой исчерпывающего объяснения
коперниковской системы, которое Ньютон дал спустя 50 лет.
СОВРЕМЕННАЯ
ФИЗИКА
До
1940-х годов основные виды известной тогда материи выглядели довольно
просто: атом состоял из электронов, движущихся вокруг массивного ядра;
при некоторых условиях он испускал свет в форме квантов, называвшихся
фотонами; ядра состояли из нейтронов и протонов (нуклонов), каждый
из которых обладал массой, примерно в 1840 раз превышающей массу электрона;
частица третьего типа с массой, промежуточной между массой электрона
и протона, названная «мезоном», отвечала за взаимодействие частиц
ядра (нуклонов), а фотон, квант электромагнитного поля, удерживал
вместе электрон и ядро. В то время было естественно рассматривать
все перечисленные выше частицы как элементарные формы материи, аналогичные
элементам традиционной химии, из которых состоит все, что нас окружает.
Однако с открытием в последнее время большого числа новых частиц зародилось
сомнение в том, что все они действительно элементарны. Основные работы
в этой очень трудной области физики ведутся в научно-исследовательских
центрах, располагающих чрезвычайно дорогостоящими экспериментальными
установками. В Соединенных Штатах это Брукхейвенская и Аргоннская
национальные лаборатории, Национальная лаборатория ускорителей близ
Чикаго, Станфордский линейный ускоритель, в Западной Европе – ЦЕРН,
Европейский совет по ядерным исследованиям (European Council for Nuclear
Research) в Женеве, объединяющий 12 стран. Несколько научно-исследовательских
центров, возникших при больших ускорителях, имеется в России. Главная
задача фундаментального изучения материи состоит в том, чтобы как
можно больше узнать о всех возможных ее формах, т.е. установить, какие
бывают элементарные частицы и каковы их свойства, объяснить, почему
наша Вселенная содержит именно эти, а не другие разновидности частиц.
В 1970-х годах возникла теория, в которой элементарные частицы считались
состоящими из еще более фундаментальных «кирпичиков» материи – кварков.
Сначала кварков было всего три, затем их стало 12, а чуть позже –
15. Как это часто бывало в прошлом с другими теориями материи, с каждым
таким расширением списка частиц усиливалось подозрение, что теория
кварков при всей ее привлекательности все же не является подлинно
фундаментальной. Второе общее направление, которому следует в своем
развитии фундаментальная физика сегодня, – это изучение форм материи,
состоящих из большого числа связанных частиц. Одно из направлений
такого рода исследований занимается изучением газов, частицы которых
слабо связаны и основное время проводят в свободном полете. Если не
считать поведения газов при экстремальных условиях (такого рода вопросы
интересуют тех, кто, например, занимается изучением ракетных двигателей),
в этой области знаний сейчас нет ни одного принципиального вопроса,
на который нельзя было бы дать ответ.
Что касается жидкостей и твердых тел, то здесь предстоит выяснить
еще многое. В частности, твердые тела обладают разнообразными механическими,
электрическими и магнитными свойствами, для объяснения которых недостаточно
знать, из каких частиц эти тела состоят, поскольку упомянутые свойства
зависят также от их агрегатного состояния. Физика твердого тела –
быстро развивающаяся область науки, и отчасти это связано с ее большим
прикладным значением: так, транзисторы и другие полупроводниковые
устройства, созданные как результат исследований и разработок в области
физики твердого тела, произвели настоящую революцию в электронике.
Еще одно состояние агрегации мы находим в атомном ядре. Поскольку
ядро очень мало и его составляющие прочно связаны ядерными силами,
оно представляет собой очень трудный объект для изучения, так что
сведения о его структуре и типах внутриядерного движения весьма скудны.
Исследования в этой области широко поддерживаются правительствами,
поскольку ядерной энергии придется удовлетворять значительную часть
энергетических потребностей человечества, когда иссякнут источники
нефти и угля. Наконец, упомянем о физике плазмы, одной из новых областей
науки. Плазма – это раскаленный газ, состоящий из проводящих электричество
ионов и электронов, но его поведение заметно отличается от поведения
газа при обычных условиях. Если учесть, что все звезды и значительная
часть межзвездного вещества – плазма, то получается, что во Вселенной
в таком состоянии находится более 99% материи. Следовательно, для
проникновения в тайны космоса необходимо как можно более полно исследовать
свойства самой плазмы. Кроме того, для создания наиболее перспективных
– термоядерных источников энергии, по-видимому, потребуется воспроизвести
условия, царящие в недрах звезд.
До Второй мировой войны почти все значительные исследования в области
физики выполнялись в университетских лабораториях, поддерживаемых
университетскими фондами. После войны ситуация изменилась по трем
причинам. Во-первых, создание новых экспериментальных установок стало
для университетских бюджетов слишком дорогим делом, что привело к
необходимости широкомасштабного участия государства в субсидировании
научных программ. Во-вторых, правительства осознали необходимость
поддержки научных исследований в собственных военных, экономических
и политических целях. Это в особенности касается космических программ
и исследований в области физики элементарных частиц, а также различных
видов деятельности, связанных с решением энергетических проблем. В-третьих,
коренным образом изменилось отношение деловых людей к науке: теперь
большой бизнес во всем мире участвует в создании лабораторий, в которых
проводятся серьезные исследования.
Все предпринимавшиеся ранее попытки предсказать будущее науки кончались
провалом, однако очевидно, что мы можем ожидать большого прогресса
в указанных выше направлениях. Ясно также, что в будущем появятся
совершенно новые направления исследований, которые сейчас невозможно
предвидеть, как невозможно было предсказать сто лет назад появление
ядерной физики. Подлинно всеобъемлющая физическая теория позволит
рассматривать с единой точки зрения процессы, протекающие во всех
масштабах – от космического до субатомного. Ныне же, хотя нам известно
многое, мы видим лишь интригующие фрагменты полной картины мира.