| Предисловие: как делаются открытия? |
| Раздел I.Ква нты и относительность: "драма идей" или "тридцатилетняя война против здравого смысла"? |
| Глава 1. Концепция квантов |
| | 1.Проблема излучения |
| | 2.Макс Планк |
| | 3.Эйнштейн: теория квантов |
| | 4.Эйнштейн: теплоемкость |
| Глава 2. Радиоактивность, атомы, ядра |
| | 1.Открытие |
| | 2.Пьер и Мария Кюри |
| | 3.Проблема определения исторических и природных дат |
| | 4.Эрнест Резерфорд |
| | 5.Нильс Бор |
| | 6.Рентгеноструктурный анализ |
| | Отступление I. Физика и математика |
| Глава 3. Теория относительности: парадигма Эйнштейна |
| | 1.Предыстория |
| | 2.Предшественники |
| | 3.Об истоках мировоззрения Эйнштейна |
| | 4.Порядок исследований Эйнштейна |
| | 5.Специальная теория относительности (сокращенно СТО) |
| | 6.Парадокс близнецов |
| | 7.Соотношение масса -- энергия |
| | 8.Ускорители и релятивизм |
| | 9.Черенковское излучение, переходное излучение |
| | 10.Начала общей теории относительности (сокращенно ОТО) |
| | 11.Экспериментальные проверки ОТО |
| | Отступление II.Научные школы |
| Глава 4. Квантовая механика |
| | 1.Первый сольвеевский конгресс |
| | 2."Старая" квантовая механика |
| | 3.Индуцированное излучение |
| | 4.Спин электрона, квантовые статистики |
| | 5.Луи де Бройль |
| | 6.Вернер Гейзенберг |
| | 7.Эрвин Шредингер |
| | 8.Макс Борн |
| | 9.Поль Дирак |
| | 10.Туннельный эффект |
| Глава 5. Сверхпроводимость и сверхтекучесть |
| | 1.Камерлинг-Оннес |
| | 2.Сверхтекучесть: исследования П.Л.Капицы и Л.Д.Ландау |
| | 3.На пути к теории сверхпроводимости |
| | 4.Эффект Купера и теория БКШ |
| | 5.Туннельные контакты и эффекты Джозефсона |
| | 6.Успехи и проблемы |
| Раздел II.Яд ро? Элементарно! |
| Глава 1. Атомное ядро |
| | 1.Протон |
| | 2.Нейтрон |
| | 3.Космические лучи |
| | 4.Ядерные силы, барионный заряд |
| | 5.Модели атомных ядер |
| | 6.Эффект Мессбауэра |
| Глава 2. Ядерные реакции |
| | 1.Типы реакций и выделение энергии |
| | 2.Отто Ган и Лизе Мейтнер |
| | 3.Цепная реакция деления |
| | 4.Ядерные реакторы |
| | 5.Атомная (ядерная) бомба |
| Глава 3. Термоядерные реакции |
| | 1.Проблемы астрофизики |
| | 2.Ганс Бете: источники энергии звезд |
| | 3.А.Д.Сахаров: водородная бомба |
| | 4.Управляемые термоядерные реакции |
| Глава 4. "Элементарные" частицы |
| | 1.Бета-распад: появление нейтрино |
| | 2.Принципы симметрии и проблемы сохранения четности |
| | 3.Типы нейтрино и лептонный заряд |
| | 4.Структура нуклонов: "шуба" частиц |
| | 5.Странные частицы |
| | 6.Модель Ферми--Янга |
| | 7.Теория кварков |
| Раздел III.И зобретать, чтобы наблюдать: микроскопы, лазеры, коллайдеры |
| Глава 1. Эволюция микроскопа |
| | 1.Оптический микроскоп |
| | 2.Фазово-контрастный микроскоп |
| | 3.Ультразвуковой микроскоп |
| | 4.Электронный микроскоп |
| | 5.Электронный и ионный проекторы |
| | 6.Использование туннельного эффекта |
| | 7.Микроскопия ближнего поля |
| Глава 2. Изобретение транзистора |
| Глава 3. Мазеры и лазеры |
| | 1.Изобретение мазера |
| | 2.Трехуровневая схема |
| | 3.Нелинейная оптика |
| Глава 4. Приборы для физики ядра и частиц |
| | 1.Для чего они нужны? |
| | 2.Камера Вильсона |
| | 3.Пузырьковая камера |
| | 4.Ускоритель Кокрофта--Уолтона |
| | 5.Эрнест Лоуренс |
| | 6.Коллайдеры |
| Раздел IV. З а гранью наблюдаемого: квазичастицы, темная материя и черные дыры |
| Глава 1. Квантовые поля |
| | 1.Вторичное квантование: частицы и квазичастицы |
| | 2.Лэмбовский сдвиг |
| | 3.Квантовая электродинамика |
| | 4.Электрослабое взаимодействие: промежуточные мезоны |
| | 5.Спонтанное нарушение симметрии. Механизм Хиггса |
| | 6.Калибровочные поля: квантовая хромодинамика |
| | 7.Предвидение Эйнштейна |
| | 8."Квантовая лестница" |
| Глава 2. Космология и астрофизика |
| | 1.История возникновения |
| | 2.Начало релятивистской космологии: Фридман и Хаббл |
| | 3.Реликтовое излучение |
| | 4.О типах и эволюции звезд |
| | 5.Открытие пульсаров |
| | 6.Черные дыры |
| | 7.Гравитационное излучение |
| | 8.Темная материя (?), темная энергия (??) |
| | 9.Что дальше? |
| | Отступление III Когда и почему подростки выбирают физику |
Приложение 1.Рейтинги замечательных экспериментов и великих физиков
2.Некоторые обозначения |
| Заключение |
Предисловие: как делаются открытия?
Никто, увы, не может объяснить, как делаются открытия или, несколько
точнее, как из груды предположений, ясных и совсем неясных или
даже ошибочных данных выбираются те, которые помогают выявить (это слово более
точно, чем "открыть") закон природы. Наитие, озарение -- это ведь только
слова...
Не следует ли обратиться к авторам открытий? Они-то могут или должны что-то
и как-то объяснить?
И вот что говорят самые великие, авторы многих, не одного и не двух
эпохальных открытий.
Альберт Эйнштейн в автобиографии пишет: "Открытие не является делом
логического мышления", а в другом месте замечает, что какой-то процесс,
по-видимому, происходит в подсознании, без словесного оформления, и затем
как-то выскакивает в сознание.
Великий математик, физик и философ Анри Пуанкаре описывает, как он приходил
к своим открытиям: "Случаи внезапного озарения, мгновенного завершения
длительной подсознательной работы мозга, конечно, поразительны. Роль этой
подсознательной деятельности интеллекта в математическом открытии можно
считать, по-видимому, бесспорной". Но затем он продолжает: "Внезапное
вдохновение никогда не могло бы прийти без многих дней предшествующих
целенаправленных усилий, казавшихся в то время совершенно бесплодными
и направленными по неправильному пути".
В обыденном сознании мыслитель часто ассоциируется со знаменитым
"Мыслителем" Родена. Но говорят, что у глубоко задумавшегося гениального
Нильса Бора был в такие моменты вид клинического идиота: полностью
расслабленная мускулатура лица, опущенная нижняя челюсть... Так что
прототип Родена рассуждает -- возможно, он перебирает варианты ответа,
но отнюдь не открывает нечто новое.
Но если нечто истинно новое возникает в виде смутной идеи, некоей картинки
в подсознании, то скорее всего оно пробьется в сознание в моменты
расслабленности, в полудреме или даже во сне. И действительно, именно
об этом говорят многие из тех, кто совершал открытия, изобретал. Значит, логика
здесь ни при чем, и машины, построенные на основе логических программ, никогда
не смогут соперничать с людьми.
Что же делать, если нельзя научить делать открытия?
Нельзя забывать слова великого Т.А.Эдисона: в любом изобретении 99%
тяжкой работы и 1% вдохновения. Так что нужно работать, тогда может
прийти, а может и не прийти вдохновение.
Но можно попытаться восстановить условия, в которых совершено открытие,
и то, как и почему тот или иной ученый, изобретатель
заинтересовался какой-то проблемой и как он подошел к ее решению. Такие
примеры могут послужить, отчасти, путеводной звездой в будущем.
Вот такие примеры автор и попытался собрать в этой книге, отмечая при этом
и явления, которые до сих пор не объяснены (может, они заинтересуют читателя?).
Книга эта не является ни учебником, ни последовательной историей развития
физики. Скорее, это история открытий в физике, но в форме изложения для
чтения, для всех тех -- от школьников, студентов и их преподавателей
до психологов и просто людей любознательных, -- кто интересуется проблемой
открытий. (В этом и отличие ее от многих популярных книг, которые обычно
объясняют то, что открыто, не затрагивая психологические проблемы
работы исследователей.) Поэтому в книге нет формул, а отдельные очерки
по возможности сделаны независимыми -- читать ее можно почти с любого места.
Преподавательский опыт автора показывает, что рассказ о том, как, каким
человеком и почему было сделано то или иное открытие, какие трудности
пришлось преодолеть, какие проблемы оно разрешило, придает
некую эмоциональную окраску уроку или лекции -- экзамены показывают
несравнимо лучшее запоминание и понимание именно этого материала. В нашей
книге как раз и собраны подобные рассказы.
Кроме того, автор убежден, что рассказ об эмоционально насыщенных эпизодах
легче проникает в подсознание человека (нечто вроде резонанса?), а затем
схожая идея может всплыть, уже вне воли индивидуума, во время упорядоченного
изучения предмета или даже во время собственных исследований. Но ведь для
этого в подсознании уже должны находиться некие примеры! Поэтому
представляется, что знание некоторых деталей истории открытий не может
быть бесполезным, во всяком случае для будущих ученых. А может, такие рассказы
и обратят кое-кого из подростков к занятиям наукой?
В последние годы во многих школьных программах понизился
статус естественных наук, в том числе физики, в пользу математики и компьютеров: для чего, мол,
запоминать формулировки законов Архимеда или Ома, если их можно в любой
момент найти в Интернете. Хотелось бы напомнить организаторам просвещения,
что, во-первых, ни одна поисковая система не выдаст вам сведений, если вы
сами не знаете, что надо искать, а во-вторых, и это гораздо важнее, суть
преподавания, скажем, физики состоит в том, чтобы привить некоторые навыки
понимания явлений окружающего мира, показать возможности не формального (как в математике), а реального анализа всего нас окружающего.
Так что еще одна задача книги -- показать, насколько физика интересна
и увлекательна. Эта книга в некотором смысле продолжает предшествующую книгу
автора: "А почему это так?" (Кн.1: Физика вокруг нас в занимательных беседах,
вопросах и ответах. М.: URSS, 2012; Кн.2: Физика в гостях у других наук
(в занимательных беседах, вопросах и ответах). М.: URSS, 2012). Если
в ней рассматривались повседневные явления и окружающие нас предметы,
показывалась роль и возможности поиска внутреннего смысла разнородных,
казалось бы, проявлений законов физики, то здесь мы обращаемся к тому, как
наблюдения -- возможно разрозненные, а порой и случайные -- вели к открытию
самых общих законов природы.
Необходимые пояснения. 1. Автор писал о тех разделах физики, которые ему
в той или иной степени близки и знакомы (поэтому в очень малой степени
затронуты физика твердого тела, физика плазмы и т.д.). 2. Опущены вопросы,
которые очень сложно изложить без привлечения математики. 3. Список
литературы к проводимому изложению мог бы по объёму сравняться с самой
книгой, но поскольку наше изложение отнюдь не претендует на строгую
научность, приведены лишь минимальные ссылки на литературу.
Об иллюстрациях. Великий Рёзерфорд любил повторять: "Все науки
являются либо физикой, либо собиранием марок" ("All science is either
physics or stamp collecting"). А поскольку имеется множество почтовых марок
самых разных стран с портретами ученых и даже деталями аппаратуры и формулами,
мы поместили некоторые из них здесь, руководствуясь при выборе лишь критериями
правдоподобия и качества изображения. Заметим, что в мире найдется более
100 видов марок, посвященных Эйнштейну, причем некоторые из них напечатаны
в странах, где вряд ли найдутся
знатоки его творчества.
Перельман Марк Ефимович
Доктор физико-математических наук. До 1997 г. — заведующий отделом теоретической физики и биофизики Института кибернетики Академии наук Грузии, вел курсы физики в вузах. С 1997 г. сотрудничал с Еврейским университетом в Иерусалиме, а также с Институтом физики им. Дж. Рака. Автор около 200 опубликованных работ по теоретической физике и ее приложениям в геофизике, биофизике, оптоэлектронике, а также по психологии, истории и популяризации науки; ему принадлежит ряд изобретений. Основное направление исследований — теория длительностей взаимодействий частиц и ее приложения. Исследования понятий длительностей взаимодействий и различных их приложений подытожены в книге: Perelman M. E. Quantum Kinetics: duration of interactions. N.Y.: Nova Sc. Publ., 2010.
