С 1925 г. квантовая физика занимает свое место среди научных дисциплин. Несмотря на всю свою странность и парадоксальность, она соответствует критериям хорошей теории: с помощью ограниченного числа обоснованных постулатов она с величайшей точностью объяснила все наблюдения, сделанные до сих пор. Более того, сопоставление результатов релятивистской и квантовой теории позволило понять природу радиоактивности и бурных процессов, происходящих в атомном ядре: подчиненная человеку ядерная физика получила возможность продемонстрировать свою мощь в 1945 г. …

Исследования в современной физике

Тем не менее в этом мире остается еще много процессов, которые нам предстоит понять хотя бы на уровне нашего измерения. Возьмем пример: магнитное поле Земли сильно менялось в прошлом, и всегда очень по-разному. До сих пор остаются малопонятными механизмы, управляющие этим феноменом, и мы не можем предсказать будущую эволюцию магнитного поля даже на ближайшие сто лет. Однако эти изменения наверняка сыграли свою роль в развитии жизни на Земле…

Это пример вопроса, который и по сей день остается без ответа. Очевидно, что достаточно знания фундаментальных законов, чтобы понять все эти процессы, однако явления эти столь сложны, что обнаружить управляющие ими механизмы чрезвычайно трудно.

Таким образом, следует различать две дисциплины: фундаментальную физику, которая изучает законы, управляющие Вселенной, чья структура оформилась в конце XIX – начале ХХ в., и прикладную физику, которая пытается понять сложные механизмы на основе законов, имеющихся в ее распоряжении.

Этим объясняется то, что смена технологических инноваций происходит безудержным темпом; их подавляющее большинство основано на физических законах, выведенных в начале XIX в. Это рождает иллюзию того, что развитие физики происходит непрерывно.

Разумеется, не исключено, что однажды будут открыты новые законы, которые создадут другие ветви физической науки. Они наверняка будут связаны с микромиром или с областью высоких энергий, и, возможно, это откроет новые области их применения, в том числе и в повседневной жизни.

Кроме того, остается выяснить, почему фундаментальные константы имеют такую величину, а не другую, почему новые частицы имеют такую массу и такой заряд – значения, которые нам представляются спорными. Так, стандартная модель базируется на двадцати девяти чисто экспериментальных параметрах. Для «унитарной» вселенской теории это довольно много, и вполне вероятно, что однажды появится новая теория, количество параметров которой будет меньше.

Наконец, общая теория относительности и квантовая физика несовместимы в сферах (весьма загадочных!), где огромная масса сосредоточена в очень маленьких объемах (черные дыры, Большой взрыв…). Сегодня происходит построение теорий, которым предстоит дать ответы на эти вопросы. Среди прочих стоит упомянуть теорию струн как наиболее предпочтительную.

Вне всяких сомнений, у фундаментальных физических исследований впереди еще большое прекрасное будущее…

Часть 1

Механика

Силы и движение

1. Основы механики

Как мы видели, вся классическая физика представляет собой сочетание двух сил – силы тяготения и электромагнитной силы. Поэтому будет естественным для начала объяснить, что такое сила, и определить, как она влияет на движение тел. Для этого нам нужно заглянуть в историю и поинтересоваться механикой, сначала с Галилеем, затем с Ньютоном.

1. Относительность движения

Система отсчета

Необходимость ориентиров для описания движения

Зададим риторический вопрос: что такое движение? Мы видим объекты, которые движутся по отношению к нам (машины, пешеходы…), мы сами перемещаемся по отношению к дороге, к тротуару… «По отношению к» – ключевые слова для описания движения.