Остров неопытных физиков (илл. Г. Валька) - Домбровский Кирилл (лучшие книги читать онлайн TXT) 📗
Позиция Больцмана в свое время была прогрессивной, но его гипотеза мало кого убедила. Предположение о тепловой смерти Вселенной вызвало много споров, но при этом спорящие обычно забывали, что работы Больцмана относились к миру молекул газа. Наша же Вселенная состоит не из однородных элементов — молекул водорода, а из самых различных образований, из бесконечного множества разнообразных частиц. В ней есть и межзвездный газ — атомы водорода, и куски вещества — метеориты, и более крупные образования — астероиды и планеты, и, наконец, гигантские плазменные шары — звезды, и звездные системы — галактики.
В математике существует раздел-теория множеств. Она в основном изучает не конечные количества частиц, чисел или букв, а бесконечные их множества. Она пытается проникнуть в законы бесконечности. Из этой теории можно сделать много любопытных выводов, которые помогают ответить на вопрос, почему Вселенная вечно неравновесна.
Для того чтобы выравнялась энергия всего огромного множества слагающих Вселенную единиц — и каждого из ионизированных атомов межзвездного газа, и звезд, и галактик,- они должны вступить между собой во взаимодействие, сопровождающееся обменом энергиями. Они должны вступить во взаимодействие принципиально так же, как и молекулы холодной н горячей воды в стакане.
Так вот, один из выводов теории множеств и гласит, что все эти бесконечные взаимодействия не могут произойти в какой-либо, даже бесконечный, период. С того момента, как это было установлено, гипотеза о тепловой смерти Вселенной потеряла смысл.
На этом примере можно видеть, как не просто обстоит дело с распространением, казалось бы, очевидных физических закономерностей на области, недоступные нашему непосредственному восприятию. То, что безусловно верно в нашей обыденной жизни, может оказаться ошибочным в масштабах микромира или в масштабах бесконечной Вселенной. Законы, которым подчиняется природа, всюду едины. Но проявлять свое действие они могут по-разному.
И может быть, анекдотические обстоятельства, в которые попадают школьники, повернувшие время вспять, побудят читателя серьезнее задуматься об окружающем нас мире. В этом и состоит основная задача книги К. Домбровского — направить читателя на путь самостоятельного размышления. Именно с этой целью автор заставляет своих героев попадать в самые неожиданные ситуации, обусловленные изменением физических законов или постоянных физических величин — констант..
Конечно, ни один из рассматриваемых в книге примеров — ни отмена трения, ни изменение хода времени, ни путешествия со скоростью света — практически невозможен, как невозможен и сам фантастический прибор — «трансформатор физических законов». Все это не более чем сказка, но сказка современная. Однако кто возьмется определить, какую рать сыграли сказки в развитии науки и техники?
Детские мечты человечества о ковре-самолете стократно воплощены сейчас в современных воздушных лайнерах, так же как сказочное волшебное зеркальце воплотилось в экранах телевизоров.
Сказочные приключения четырех советских школьников, изменяющих физические константы, отменяющих законы природы, заставляют читателя задуматься над глубокой связью и взаимозависимостью объективных законов природы и, может быть, в будущем приведут кого-нибудь из юных читателей к самостоятельным научным открытиям, к более глубокому пониманию природы.
Ни автору, ни его героям не удается создать непротиворечивую картину мира, если отменен хотя бы один закон, если изменена хотя бы одна константа. Но это еще не значит, что такое построение вообще невозможно. На примере развития научных знаний мы видим, что очень часто то, что мы склонны считать последним словом в познании природы, на деле оказывается лишь более или менее грубым приближением. Так было, например, с основными законами механики Ньютона, которые оказались лишь частным случаем, некоторым приближением к более общим закономерностям, заключенным в теории относительности Альберта Эйнштейна (1879-1955).
Примерно так же обстоит дело и с мировыми константами- такими величинами, как скорость света, заряд электрона, гравитационная постоянная, и некоторыми другими. Ряд работ советских и зарубежных теоретиков дает основание утверждать, что то, что мы привыкли считать незыблемой величиной, в действительности изменяется во времени и пространстве. Правда, масштабы пространства и времени, в которых сказывается подобное нарушение постоянства, весьма далеки от наших привычных, земных масштабов, но это тем не менее не исключает принципиальной возможности изменения констант.
Изучая физику, химию и биологию, мы, сами того не замечая, получаем как бы несколько противоречивые сведения о природе. С одной стороны, материалистическая философия учит нас постоянному развитию, изменчивости, взаимопревра-щаемости вещества и энергии. С другой — мы считаем, что, например, атомы, хотя и могут превращаться друг в друга, все же состоят из так называемых элементарных частиц — протонов, нейтронов, электронов, вечных и неизменных. Изучая закон тяготения Ньютона, мы узнаём, что в его выражение входит сомножителем некоторая величина — постоянная тяготения. В законе Кулона фигурирует вечно неизменный заряд электрона. В современной физике говорят про «постоянную» Планка и тому подобное.
Постоянны ли эти величины в действительности, или, может быть, они меняются, но так медленно, что мы пока это не замечаем?
Самый обычный повседневный опыт убеждает нас, что действительно все изменчиво. Но одно меняется быстро, другое медленно. Есть основания утверждать, что некоторые константы, входящие в законы физики, на самом деле не являются константами и могут очень медленно меняться. Однако это касается, по-видимому, не всех величин. Константы, связанные с законами сохранения материи — энергии (их всего три), безусловно, не могут меняться. Иначе теория приходит к абсурду, подобному тому, который автор «Острова неопытных физиков» попытался изобразить в конце книги, когда отменяется закон сохранения энергии.
Что же касается остальных констант, то мысль о возможном непостоянстве «постоянных» высказывали многие ученые. Крупнейший французский математик Анри Пуанкаре (1854- 1912) даже задумывался над тем, что будет, если сами законы природы начнут изменяться.
Однако причина кажущегося постоянства некоторых величин может скрываться и в другом.
Представим себе такой гипотетический (предположительный) случай: идеально гладкая планета — ни гор, ни впадин, идеально спокойная атмосфера. И жители этой планеты не могут ни подняться в воздух ни опуститься под землю.
Они измеряют температуру кипения воды и в каждом опыте получают сто градусов. Эту температуру они объявляют мировой константой.
Устанавливают закон: «Всегда и везде температура кипения воды постоянная и равна ста градусам». Они даже не подозревают, что температура кипения воды зависит от давления воздуха, потому что проводят свои опыты всегда в одних и тех же условиях.
Может быть, и мы вот так же измеряем мировые константы, не считаясь с возможностью изменения некоторых условий? Ни с физической, ни с философской точек зрения нет никаких оснований, которые не позволили бы допустить переменности «постоянных величин». Можно построить вполне строгую, внутренне непротиворечивую теорию, основанную на предположении о медленном изменении некоторых величин, некоторых мировых констант.
Подобным путем шел в прошлом веке великий русский математик Н. И. Лобачевский (1792-1856). Именно отсутствие внутренних противоречий позволило ему развить свою геометрию, отличающуюся от обычной, Евклидовой. Лишь много позже было установлено, что такая геометрия реально существует во Вселенной, а геометрия Евклида, которая изучается в средней шкапе,- это просто земной вариант ее, частный случай более общей закономерности.
Очевидно, можно допустить, что некоторые константы, входящие в различные законы, действительно могут меняться. В настоящее время физики установили три основных фундаментальных соотношения мироздания, определяющие основные процессы и явления Вселенной. Первое соотношение связывает гравитационную «постоянную», скорость света, размеры и энергию Метагалактики. (Метагалактика — автономная часть Вселенной, доступная нашему наблюдению.) Это соотношение выводится из теории относительности Эйнштейна. Другое соотношение было установлено английским физиком Дираком. Оно связывает те же величины, исключая только массу Метагалактики и «постоянную» Планка. Третье соотношение было установлено в физике элементарных частиц и носит название «принцип неопределенности». В него входят размеры частиц, «постоянные» Планка, энергия и скорость света. Таким образом, эти соотношения — Эйнштейна, Дирака и принцип неопределенности связывают шесть величин, как функцию размеров Метагалактики или времени. Принимая три из них за константы, можно вычислить все остальные. Так как радиус Метагалактики растет, то оказывается, что некоторые из постоянных величин, которыми мы оперируем, на деле являются переменными — они изменяются с увеличением радиуса Метагалактики. Это изменение происходит крайне медленно. За год может измениться лишь десятый знак после запятой. Сейчас это находится на пределе доступных нам измерений, но техника физических экспериментов все время совершенствуется. Из этого следует, что, конечно, «мгновенно» никакая закономерность не изменится, законы физики остаются законами, но некоторые величины входящие в эти законы, со временем очень медленно изменяются. Все это служит еще одним подтверждением основных постулатов диалектического материализма, которые говорят об изменяемости материи, изменяемости различных категорий существования материи. Сама материя и Вселенная вечны, а состояние материи изменчиво.
