Цей дворічний курс фізики розрахований на те, що ви, читачу, збираєтеся стати фізиком. Припустімо, це не так уже й обов'язково, але який викладач на це не сподівається! Якщо ви й справді хочете бути фізиком, вам доведеться чимало попрацювати. Як-не-як, а двісті років бурхливого розвитку наймогутнішої галузі знання що-небудь та важать! Такого багатства матеріалу, мабуть, і за чотири роки не засвоїш; услід за цим доведеться ще прослухати спеціальні курси.
І все ж увесь результат колосальної роботи, проробленої за ці століття, вдається сконденсувати — звести до невеликого числа законів, які підсумовують усі наші знання. Однак і ці закони теж нелегко засвоїти, і просто нечесно було б щодо вас починати вивчення такого важкого предмета, не маючи під рукою якоїсь схеми, якогось нарису взаємозв'язку одних частин науки з іншими. Перші три розділи і являють собою такий нарис. У цих розділах ми познайомимося з тим, як пов'язана фізика з рештою наук, як стосуються ці інші науки одна одної, та й що таке сама наука. Це допоможе нам «відчути» предмет фізики.
Ви запитаєте: чому б одразу, на першій же сторінці, не навести основні закони, а вже потім показувати, як вони працюють у різних умовах? Адже саме так чинять у геометрії: сформулюють аксіоми, а потім залишається тільки робити висновки. (Непогана думка: викласти за 4 хвилини те, що й за 4 роки не вкладеш.) Зробити це неможливо з двох причин. По-перше, нам відомі не всі основні закони; навпаки, що більше ми дізнаємося, то сильніше розширюються межі того, що ми повинні пізнати! По-друге, точне формулювання законів фізики пов'язане з багатьма незвичайними ідеями та поняттями, які потребують для свого опису такої ж незвичайної математики. Потрібна чимала практика тільки для того, щоб навчитися розуміти сенс слів. Тож ваша пропозиція не пройде. Доведеться нам рухатися поступово, крок за кроком.
Кожен крок у вивченні природи — це завжди лише наближення до істини, точніше, до того, що ми вважаємо істиною. Усе, що ми пізнаємо,— це якесь наближення, бо ми знаємо, що не всі закони ми ще знаємо. Усе вивчається лише для того, щоб знову стати незрозумілим або, в кращому разі, зажадати виправлення.
Принцип науки, майже що її визначення, полягає в такому: пробний камінь усіх наших знань — це дослід. Дослід, експеримент — єдиний суддя наукової «істини». А в чому ж джерело знань? Звідки приходять ті закони, які ми перевіряємо? Та з того-таки досліду; він допомагає нам виводити закони, в ньому таяться натяки на них. А понад те потрібна ще уява, щоб за натяками побачити щось велике й головне, щоб відгадати несподівану, просту й прекрасну картину, яка постає за ними, а потім поставити дослід, який переконав би нас у правильності здогаду. Цей процес уяви настільки важкий, що відбувається поділ праці: бувають фізики-теоретики, вони уявляють, міркують і відгадують нові закони, але дослідів не ставлять, і бувають фізики-експериментатори, чиє заняття — ставити досліди, уявляти, міркувати й відгадувати.
Ми сказали, що закони природи — це наближення; спершу відкривають «неправильні» закони, а вже потім — «правильні». Але як дослід може бути «невірним»? Ну, по-перше, з найпростішої причини: коли у ваших приладах щось негаразд, а ви цього не помічаєте. Але таку помилку легко виявити, треба лише все перевіряти й перевіряти. Ну, а якщо не чіплятися до дрібниць, чи можуть усе ж таки результати досліду бути помилковими? Можуть, через брак точності. Наприклад, маса предмета здається незмінною; дзиґа, що обертається, важить стільки ж, скільки й та, що лежить на місці. Ось вам і готовий «закон»: маса постійна і від швидкості не залежить. Але цей «закон», як з'ясовується, невірний. Виявилося, що маса зі збільшенням швидкості зростає, але для помітного зростання потрібні швидкості, близькі до світлової. Правильний закон такий: якщо швидкість предмета менша за 100 км/с, маса з точністю до однієї мільйонної постійна. Ось приблизно в такій наближеній формі цей закон вірний. Можна подумати, що практично немає суттєвої різниці між старим законом і новим. І так, і ні. Для звичайних швидкостей можна забути про застереження й у доброму наближенні вважати законом твердження, що маса постійна. Але на великих швидкостях ми почнемо помилятися, і тим більше, чим вища швидкість.
Але найдивовижніше те, що із загального погляду будь-який наближений закон абсолютно помилковий. Наш погляд на світ потребуватиме перегляду навіть тоді, коли маса зміниться хоч на крапельку. Це — характерна властивість загальної картини світу, яка стоїть за законами. Навіть незначний ефект іноді вимагає глибокої зміни наших поглядів.
То що ж нам треба вивчати спочатку? Чи вчити нам правильні, але незвичайні закони з їхніми дивними й важкими поняттями, наприклад теорію відносності, чотиривимірний простір-час і т. д.? Чи ж почати з простого закону «постійної маси»? Він хоч і наближений, зате обходиться без важких уявлень. Перше, безперечно, приємніше, привабливіше; перше дуже спокушає, але з другого почати легше, і до того ж це перший крок до поглибленого розуміння правильної ідеї. Це питання постає весь час, коли викладаєш фізику. На різних етапах курсу ми по-різному будемо його розв'язувати, але на кожній стадії ми намагатимемося викласти, що саме зараз відомо і з якою точністю, як це узгоджується з рештою і що може змінитися, коли ми дізнаємося про це більше.
Перейдімо тепер до нашої схеми, до нарису нашого розуміння сучасної науки (насамперед фізики, але також і решти близьких до неї наук), щоб пізніше, коли нам доведеться заглиблюватися в різні питання, ми могли бачити, що лежить у їхній основі, чим вони цікаві і як укладаються в загальну структуру.
Отже, як же виглядає картина світу?