Кирилл Половников: 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 тяжести^[1], 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.