У цьому розділі ми розглянемо найосновніші уявлення про фізику; тут ітиметься про те, як ми тепер уявляємо собі природу речей. Я не розповідатиму історію того, як стало відомо, що ці уявлення правильні; це ми відкладемо до іншого разу.
Предмет науки постає перед нами в безлічі проявів, у розмаїтті ознак. Рибалка — дивовижне заняття: спустіться до моря, вдивіться в нього; адже це не просто вода, це вода і піна, це брижі й хвилі, що набігають, це хмари, сонце й блакитне небо, це світло й тепло, шум і подих вітру, це пісок і скелі, водорості й риба, їхнє життя і загибель, це і ви самі, ваші очі й думки, ваше відчуття щастя. І хіба не те саме в будь-якому іншому місці, хіба не таке саме розмаїття явищ і впливів? У природі ви не знайдете нічого простого, в ній усе переплутано і злито воєдино. А наша допитливість вимагає знайти в цьому простоту, вимагає, щоб ми ставили запитання, намагалися вхопити суть речей і зрозуміти їхню багатоликість як можливий підсумок дії порівняно невеликої кількості найпростіших процесів і сил, що на всі лади поєднуються між собою.
І ми запитуємо себе: чи відрізняється пісок від каменя? Може, це просто безліч камінців? А може, і Місяць — величезний камінь? Тоді, зрозумівши, що таке камені, чи не зрозуміємо ми тим самим і природу піску та Місяця? А вітер—що це таке? Може, це сплески повітря, подібні до тих сплесків води біля берега? Що спільного між усяким рухом? А чи є щось спільне між усілякими звуками? Скільки вийде, якщо перелічити всі кольори? І так далі, і так далі. Отак ми поступово намагаємося проаналізувати все навколо, зв'язати те, що здається незв'язуваним, у надії, що вдасться зменшити кількість різних явищ і тим самим краще їх зрозуміти.
Спосіб отримувати часткові відповіді на подібні запитання був придуманий ще кілька сотень років тому. Спостереження, роздум і дослід — ось що становить так званий науковий метод. Ми обмежимося тут лише голим описом фундаментальних ідей фізики, основ світогляду, що виник у фізиці завдяки застосуванню наукового методу.
Що означає «зрозуміти» щось? Уявіть собі, що складний устрій рухомих об'єктів, яким і є світ,— це щось на кшталт гігантських шахів, у які грають боги, а ми стежимо за їхньою грою. Які правила гри, ми не знаємо; усе, що нам дозволили,— це спостерігати за грою. Звісно, якщо подивитися довше, то деякі правила можна вловити. Під основними фізичними уявленнями, під фундаментальною фізикою ми розуміємо правила гри. Але, навіть знаючи всі правила, можна не зрозуміти якогось ходу просто через його складність або обмеженість нашого розуму. Той, хто грає в шахи, знає, що правила вивчити легко, а от зрозуміти хід гравця чи обрати найкращий хід часом дуже важко. Анітрохи не краще, а то й гірше йде справа в природі. Не виключено, що врешті-решт усі правила будуть знайдені, але поки що аж ніяк не всі вони нам відомі. Раз у раз тебе підстерігає рокіровка чи якийсь інший незрозумілий хід. Але, крім того, що ми не знаємо всіх правил, лише дуже й дуже рідко нам вдається справді пояснити щось на їхній основі. Адже майже всі ситуації, що трапляються, настільки складні, що немає жодної змоги, заглядаючи в правила, простежити план гри, а тим більше передбачити черговий хід. Тому доводиться обмежуватися найосновнішими правилами. Коли ми розбираємося в них, то вже вважаємо, що «зрозуміли» світ.
Але звідки ми знаємо, що ті правила, які ми «відчуваємо», справедливі насправді? Адже ми не здатні до пуття розібрати хід гри. Існує, грубо кажучи, три способи перевірки. По-перше, мислимі положення, коли природа влаштована (або ми її влаштовуємо) вельми просто, лише з кількох частин; тоді можна точно передбачити все, що станеться, перевіривши тим самим правила. (У кутку дошки може опинитися всього кілька фігур, і всі їхні рухи легко собі уявити.)
Є і другий, доволі непоганий, шлях перевірки правил: треба з цих правил вивести нові, більш загальні. Скажімо, слон ходить лише по діагоналі; отже, скільки б він не ходив, він завжди опиниться, наприклад, на чорному полі. Виходить, не заглиблюючись у деталі, наші уявлення про рух слона завжди можна перевірити за тим, чи залишається він весь час на чорному полі. Звісно, не виключено, що зненацька слон опиниться на білому полі: після того як його побили, пішак пройшов на останню горизонталь і перетворився на білопольного слона. Так само і у фізиці. Довгий час у нас є правило, яке чудово працює всюди, навіть коли деталі процесу нам невідомі, і раптом іноді спливає нове правило. З погляду фізичних основ найцікавіші явища відбуваються в нових місцях, там, де правила не годяться, а не в тих місцях, де вони діють. Так відкриваються нові правила. Є і третій спосіб переконатися, що наші уявлення про гру правильні; мало обґрунтований по суті, він, мабуть, найпотужніший з усіх способів. Це шлях грубих наближень. Ми можемо не знати, чому Альохін пішов саме цією фігурою. Але в загальних рисах ми можемо розуміти, що він, вочевидь, збирає всі фігури для захисту короля, і зметикувати, що за обставин, які склалися, це найрозумніше. Точно так само ми часто більш чи менш розуміємо природу, хоча не знаємо й не розуміємо кожного ходу окремої фігури. Колись усі явища природи грубо ділили на класи — теплота, електрика, механіка, магнетизм, властивості речовин, хімічні явища, світло (чи оптика), рентгенівські промені, ядерна фізика, тяжіння, мезонні явища тощо. Мета, однак, у тому, щоб зрозуміти всю природу як різні сторони однієї сукупності явищ. У цьому й полягає завдання фундаментальної теоретичної фізики сьогодення: відкрити закони, що стоять за досвідом, об'єднати ці класи. Історично завжди рано чи пізно вдавалося їх злити, але минав час, виникали нові відкриття, і знову поставало завдання їх включення в загальну схему. Одного разу вже виникла була злита картина світу — і раптом були відкриті промені Рентгена... З часом відбулося нове злиття... і тут виявили існування мезонів. Тому на будь-якій стадії гра виглядає безладно, незакінчено. Багато чого буває пояснено з єдиного погляду, але завжди якісь мотузки й нитки все ж бовтаються, завжди десь стирчить щось недоладне. Таке сьогоднішнє становище речей, яке ми спробуємо описати. Ось узяті з історії приклади злиття. По-перше, теплоту вдалося звести до механіки. Чим сильніший рух атомів, тим більший запас тепла системи; виходить, що теплота, та й усі температурні ефекти, можуть бути зрозумілі за допомогою законів механіки. Інше величне об'єднання було відсвятковане, коли виявився зв'язок між електрикою, магнетизмом і світлом. Виявилося, що це різні сторони однієї сутності; тепер ми називаємо її електромагнітним полем. А хімічні явища, властивості різних речовин і поведінка атомних частинок об'єдналися квантовою хімією. Постає природне запитання: чи можливо буде врешті-решт усе злити воєдино й виявити, що весь наш світ є просто різними сторонами якоїсь однієї речі? Цього ніхто не знає. Ми тільки знаємо, що в міру нашого просування вперед раз у раз вдається щось із чимось об'єднати, а потім знову щось перестає вкладатися в загальну картину, і ми заново беремося розкладати частини головоломки, сподіваючись скласти з них щось ціле. А скільки частин у головоломці, і чи буде в неї край — цього ніхто не знає. І не буде відомо, поки ми не складемо всієї картини, якщо тільки колись це взагалі буде зроблено. Тут ми хочемо лише показати, наскільки далеко зайшов процес злиття, як сьогодні стоїть справа з поясненням основних явищ за рахунок найменшої кількості принципів. Або, висловлюючись простіше, з чого все складається і скільки всього таких елементів?
Є і другий, доволі непоганий, шлях перевірки правил: треба з цих правил вивести нові, більш загальні. Скажімо, слон ходить лише по діагоналі; отже, скільки б він не ходив, він завжди опиниться, наприклад, на чорному полі. Виходить, не заглиблюючись у деталі, наші уявлення про рух слона завжди можна перевірити за тим, чи залишається він весь час на чорному полі. Звісно, не виключено, що зненацька слон опиниться на білому полі: після того як його побили, пішак пройшов на останню горизонталь і перетворився на білопольного слона. Так само і у фізиці. Довгий час у нас є правило, яке чудово працює всюди, навіть коли деталі процесу нам невідомі, і раптом іноді спливає нове правило. З погляду фізичних основ найцікавіші явища відбуваються в нових місцях, там, де правила не годяться, а не в тих місцях, де вони діють. Так відкриваються нові правила. Є і третій спосіб переконатися, що наші уявлення про гру правильні; мало обґрунтований по суті, він, мабуть, найпотужніший з усіх способів. Це шлях грубих наближень. Ми можемо не знати, чому Альохін пішов саме цією фігурою. Але в загальних рисах ми можемо розуміти, що він, вочевидь, збирає всі фігури для захисту короля, і зметикувати, що за обставин, які склалися, це найрозумніше. Точно так само ми часто більш чи менш розуміємо природу, хоча не знаємо й не розуміємо кожного ходу окремої фігури. Колись усі явища природи грубо ділили на класи — теплота, електрика, механіка, магнетизм, властивості речовин, хімічні явища, світло (чи оптика), рентгенівські промені, ядерна фізика, тяжіння, мезонні явища тощо. Мета, однак, у тому, щоб зрозуміти всю природу як різні сторони однієї сукупності явищ. У цьому й полягає завдання фундаментальної теоретичної фізики сьогодення: відкрити закони, що стоять за досвідом, об'єднати ці класи. Історично завжди рано чи пізно вдавалося їх злити, але минав час, виникали нові відкриття, і знову поставало завдання їх включення в загальну схему. Одного разу вже виникла була злита картина світу — і раптом були відкриті промені Рентгена... З часом відбулося нове злиття... і тут виявили існування мезонів. Тому на будь-якій стадії гра виглядає безладно, незакінчено. Багато чого буває пояснено з єдиного погляду, але завжди якісь мотузки й нитки все ж бовтаються, завжди десь стирчить щось недоладне. Таке сьогоднішнє становище речей, яке ми спробуємо описати. Ось узяті з історії приклади злиття. По-перше, теплоту вдалося звести до механіки. Чим сильніший рух атомів, тим більший запас тепла системи; виходить, що теплота, та й усі температурні ефекти, можуть бути зрозумілі за допомогою законів механіки. Інше величне об'єднання було відсвятковане, коли виявився зв'язок між електрикою, магнетизмом і світлом. Виявилося, що це різні сторони однієї сутності; тепер ми називаємо її електромагнітним полем. А хімічні явища, властивості різних речовин і поведінка атомних частинок об'єдналися квантовою хімією. Постає природне запитання: чи можливо буде врешті-решт усе злити воєдино й виявити, що весь наш світ є просто різними сторонами якоїсь однієї речі? Цього ніхто не знає. Ми тільки знаємо, що в міру нашого просування вперед раз у раз вдається щось із чимось об'єднати, а потім знову щось перестає вкладатися в загальну картину, і ми заново беремося розкладати частини головоломки, сподіваючись скласти з них щось ціле. А скільки частин у головоломці, і чи буде в неї край — цього ніхто не знає. І не буде відомо, поки ми не складемо всієї картини, якщо тільки колись це взагалі буде зроблено. Тут ми хочемо лише показати, наскільки далеко зайшов процес злиття, як сьогодні стоїть справа з поясненням основних явищ за рахунок найменшої кількості принципів. Або, висловлюючись простіше, з чого все складається і скільки всього таких елементів?