Страница:
В 1790 г. Учредительное собрание создало для выработки единых мер специальную комиссию, в которую входили лучшие физики и математики. Из всех предложенных вариантов единицы длины комиссия выбрала одну десятимиллионную долю четверти земного меридиана и дала этой единице название «метр». В 1799 году был изготовлен эталон метра и отдан на хранение в архив Республики».
Важно и то, что для авторов «Физики для всех» равноценны научная значимость открытия и его революционная, гуманистическая, нравственная сущность. Взять хотя бы отрывок из второй главы — «Законы движения»:
«Сейчас читателю, может быть, трудно почувствовать революционность открытия Коперника, трудно представить себе, что, отстаивая справедливость его идей, Джордано Бруно пошёл на костёр, а Галилей терпел унижение и ссылку.
В чём же подвиг гения Коперника? Почему открытие вращения Земли можно ставить в один ряд с идеями человеческой справедливости, за которые передовые люди были способны отдать жизнь?
Галилей в своём «Разговоре о двух главных системах мира, пталомеевой и коперниковой», за написание которого он подвергся гонениям церкви, дал противнику коперниковой системы имя Симпличио, что значит «простак».
Действительно, с точки зрения простого непосредственного восприятия мира, того, что не очень удачно называют «здравым смыслом», система Коперника кажется дикой. Как так Земля вертится? Ведь я же вижу, она неподвижна, а вот Солнце и звёзды, действительно, движутся.
Отношение богословов к открытию Коперника показывает такое заключение собрания теологов (1616 г.):
«Учение, что Солнце находится в центре мира и неподвижно, ложно и нелепо, формально еретично и противно священному писанию, а учение, будто Земля не лежит в центре мира и движется, вдобавок обладая суточным вращением, ложно и нелепо с философской точки зрения, с богословской же по меньшей мере ошибочно».
Это заключение, в котором непонимание законов природы и вера в непогрешимость догматов религии перемешаны с ложным «здравым смыслом», лучше всего свидетельствует о силе духа и разума Коперника и его последователей, столь решительно порвавших с «истинами» XVII века».
Любая из шестнадцати глав, будь то «Кирпичи мироздания» или «Энергия вокруг нас», может служить примером мастерского научно-популярного рассказа. А как содержательны короткие статейки о великих физиках под портретами учёных:
«МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ ЛОМОНОСОВ (1711–1765) — замечательный русский учёный, зачинатель науки в России, великий просветитель. В области физики Ломоносов решительно боролся с распространёнными в XVIII веке представлениями об электрических и тепловых «жидкостях», отстаивая молекулярно-кинетическую теорию материи. Ломоносов впервые экспериментально доказал закон постоянства массы веществ, участвующих в химических превращениях. Ломоносов производил обширные исследования в области атмосферного электричества и метеорологии. Он построил ряд замечательных оптических приборов, открыл атмосферу на Венере. Ломоносов создал основы русского научного языка; ему удалось исключительно удачно перевести с латинского языка основные физические и химические термины».
Ещё один портрет, ещё один ультракороткий набросок:
«ИСААК НЬЮТОН (1643–1727) — гениальный английский физик и математик, один из величайших учёных в истории человечества. Ньютон сформулировал основные понятия и законы механики, открыл закон всемирного тяготения, создав тем самым физическую картину мира, оставшуюся неприкосновенной до начала XX века. Он разработал теорию движения небесных тел, объяснил важнейшие особенности движения Луны, дал объяснение приливов и отливов. В оптике Ньютону принадлежат замечательные открытия, способствовавшие бурному развитию этого раздела физики. Ньютон разработал могучий метод математического исследования природы; ему принадлежит честь создания дифференциального и интегрального исчисления. Это оказало громадное влияние на всё последующее развитие физики, способствовало внедрению в неё математических методов исследования».
Едва эта книга увидела свет, как была раскуплена. Лучшие периодические издания печатали отрывки из книги Ландау и Китайгородского. «Физика для всех» действительно доступна всем. Но в первую очередь она адресована молодому читателю, учащимся — она зовёт в науку.
У входа в Центральный Дом литераторов толпа. Сегодня лекция академика Л. Д. Ландау «Проблемы современной физики». Лев Давидович рассказывает о важнейших этапах развития физики, о том, с каким трудом побеждали великие открытия.
Упомянув о термоядерных реакциях, учёный говорит, что пока они практического значения не имеют. Его спрашивают: а как же водородная бомба? Ведь в ней идёт термоядерная реакция? Лектор объясняет: он имел в виду полезное использование этой реакции, ему и в голову не могло прийти, что примером использования термоядерной реакции может служить водородная бомба.
После лекции начинается словесная дуэль. Спрашивающие подходят к кафедре, очередному кто-то кричит: «К барьеру!». Льва Давидовича просят сказать о его отношении к нашумевшей недавно вышедшей научно-популярной книге со множеством ошибок. Зал ждёт громов и молний. Но случается иначе.
– Не надо относиться слишком трагически к изданию нелепой книги: она ведь никому не причинила вреда, — говорит Ландау. — Книга эта вызывает весёлое удивление, но лучше напечатать десять неполноценных книг, чем не напечатать одной хорошей.
Особенно сильное впечатление на аудиторию производят слова учёного о том, что наука обогнала фантазию:
– Сейчас человек может работать сознанием там, где его воображение бессильно.
Когда в Московском драматическом театре имени Моссовета готовили к постановке пьесу Вирты «Летом небо высокое», Юрий Александрович Завадский попросил академика Ландау встретиться с труппой.
– Никто не предлагает изучать физику по романам, — сказал Дау актерам, — но писатель обязан достоверно изображать научный процесс и самих учёных. Среди учёных много весёлых, общительных людей, не надо показывать их угрюмыми, бородатыми старцами, проводящими большую часть жизни у книжных полок, на верхней ступеньке стремянки с тяжёлым фолиантом в руках. Да и расцвет научной деятельности наступает не в восемьдесят лет, а несколько раньше. Настоящие учёные влюблены в науку, поэтому они никогда не говорят о ней в высокопарных выражениях, как это часто бывает на сцене. Говорить о науке торжественно — абсолютно неприлично. В жизни это выглядело бы дико, в жизни ничего подобного не случается.
Как водится, встреча закончилась ответами на вопросы.
– На каком топливе работают наши межконтинентальные ракеты? — полюбопытствовал старый седой актер.
– Не знаю, — честно признался академик.
– А от всех этих спутников будет какая-нибудь польза?
– Тому, кто задал этот вопрос, — ответил Лев Давидович, — я бы посоветовал перечитать Гоголя. Плюшкина, как известно, разорила скупость. Так вот: спутники дают ценную научную информацию. А там, глядишь, и польза какая-нибудь будет.
Переполненный конференц-зал Московского физико-технического института. Молодые, восторженные лица. Напряжённая тишина, странная для такой аудитории. К студентам приехал Лев Давидович Ландау.
Вначале — сугубо научный разговор о проблемах современной физики, об элементарных частицах. В заключение — ответы на вопросы. Дау предстает перед аудиторией во всём блеске остроумия и находчивости. Вопрос — стремительный ответ — взрыв смеха в зале. Снова вопрос — снова молниеносный ответ — и опять гомерический хохот.
– Расскажите о летающих тарелках, — просят Льва Давидовича.
– Интеллигенты, — отвечает академик, — столь же, а может быть, и более, суеверны, чем все остальные люди. Мне кажется, верить в чёрную кошку есть больше оснований, чем, скажем, в снежного человека. Всё-таки кошка — это реальный объект. Лично я не суеверен. Некоторым же людям, видно, приятно быть суеверными. В этой связи уместно привести следующее высказывание Нильса Бора: «Когда имеется конечное число экспериментов и бесконечное количество теорий, то существует бесконечное же количество теорий, удовлетворяющих конечному числу экспериментов ».
– Действительно ли в Америке изучали антигравитацию?
– Во всех странах существуют сумасшедшие.
Дау берёт несколько записок, одну за другой читает их вслух и тут же отвечает:
– «Мне довелось слышать, что однажды на встрече с работниками искусств Москвы вы заявили, что плодотворным научным трудом можно заниматься только четыре часа в сутки. Так ли это?»
Я никогда таких суждений не высказывал. Очень трудно для всех установить регламент занятий. В каждом конкретном случае всё зависит от способностей, усидчивости, настроения человека. Чем больше трудиться, тем лучше! Но, конечно, нельзя заниматься целыми днями наукой — нужен отдых. Когда я был студентом, я занимался так много, что по ночам мне снились формулы…
«Каково значение гравитационной теории?»
Ценность её зависит от того, в какой мере она может быть использована её авторами…
«Были ли вы в лаборатории у Капицы?»
Зачем? — удивляется Дау. — Делать умный вид? Да я бы там все приборы переломал.
Наконец последняя записка:
«Каковы ваши взгляды на спорт? Следует ли научному работнику им заниматься?»
Заниматься спортом приятно. Кроме того, это, по-видимому, полезно для здоровья. Сам я играл в теннис и до сих пор хожу на лыжах.
– Лев Давидович, пожелайте нам что-нибудь на счастье.
– Пожелать можно многое. В первую очередь — успехов в науке. Человек должен стремиться к тому, к чему имеет душевные склонности. Можно быть хорошим специалистом во многих областях человеческой деятельности, не питая особой любви к своей специальности. Но едва ли станешь хорошим специалистом в науке и искусстве, если у тебя к ним не будет лежать душа.
После доклада к Ландау подошёл один из его старых учеников.
– Дау, вы слишком всё упрощаете, — сказал он.
– Чем проще, тем лучше. Надо всегда стремиться к ясности. Исследователь обязан выявить истинную простоту законов природы, которые лежат в основе сложных явлений.
– Да, но тогда каждый дурак всё поймет, и…
– Вот и хорошо, — перебил Дау.
– Ничего хорошего! Он же станет везде кричать: «За что им такие деньги платят?!»
– А вы рассчитываете — если сделать выступление непонятным, он поумнеет и перевоспитается?
– Но он ко мне будет относиться с бо?льшим уважением.
– Не знаю, вам виднее, — улыбнулся Дау.
«Праздник Архимеда» в МГУ. Май 1960 г.
Осенью 1960 года студенты университета — физфаковцы, которым Ландау в качестве профессора кафедры теоретической физики читал различные курсы теоретической физики, пригласили Льва Давидовича на чашку чая. Пока поднимались на тринадцатый этаж, Лев Давидович разговорился с молодым человеком, который никак не мог решить, кем стать — экспериментатором или теоретиком.
– Главное, что вам больше по душе, — сказал Лев Давидович.
– Эксперименты, — ни минуты не задумываясь, ответил студент.
– Так в чём же дело? — удивился Ландау. — Ни желание ваших родителей, ни советы преподавателя не должны сбивать вас с толку. Добрые советы — вещь хорошая, но следовать им надо осторожно.
Студент обрадованно закивал.
За чаем говорили о выборе профессии, о том, как помогают студентам изданные в 1949 году курс лекций Ландау по общей физике и в 1955 году — курс лекций по теории атомного ядра, написанный вместе с профессором Я. А. Смородинским. Чаепитие продолжалось долго. Расставаться не хотелось. Гурьбой отправились провожать Льва Давидовича. Шли по бульвару Воробьёвского шоссе, перепрыгивая через лужи. Со старых лип падали холодные капли. На крылечке академической квартиры договорились, что чаепитие будет непременно повторено.
В эти годы Л. Д. Ландау был избран членом многих иностранных академий и обществ. В 1951 году его выбрали членом Датской, в 1956 году — Нидерландской академий наук. В 1959 году он был избран членом Британского физического общества, в 1960 году — Британского Королевского общества. В том же году он стал членом Национальной академии наук США и Американской академии наук и искусств, и ему были присуждены премия имени Фрица Лондона (Канада) и медаль имени Макса Планка (ФРГ).
3 мая 1961 года Лев Давидович встречал своего старого учителя Нильса Бора. Патриарх физики приехал в Москву по приглашению Академии наук СССР. На Шереметьевском аэродроме собралось много народу. Первым к трапу подбегает Ландау. Он обеими руками жмёт руку своего учителя и весь светится счастьем. Бор растроганно улыбается, не сводит восхищённого взгляда с ученика.
Нильс Бор и Лев Ландау. Май 1961 г.
Они не виделись с 1937 года. Все дни, что Бор провёл в Москве, они почти не разлучались. Бор рассказал Льву Давидовичу о том, как капитулировала Дания, как нацистские власти хотели заставить его работать над созданием нового сверхсекретного оружия. В 1943 году «Комитет свободы» на подводной лодке переправил Бора в Швецию. Из Стокгольма группа Сопротивления доставила Бора в Шотландию. Он летел в бомбовом люке английского истребителя «Москит». Из Англии он попал в Америку и только после войны вернулся на родину.
– Как он счастлив, — говорила о муже госпожа Бор, — что Ландау здоров и жизнерадостен. У нас одно время ходили нелепые слухи, что ему плохо живётся. А на самом деле из всех учеников Нильса Дау меньше всех изменился. Хотя прошло почти тридцать лет, как они познакомились…
Нильс Бор был почётным гостем на весёлом студенческом празднике — на «празднике Архимеда» в МГУ. На площади перед университетом собралось несколько тысяч студентов. Бор выступил с речью, переводил которую Ландау. Слушали Бора с восторгом.
Н. Бор и Л. Ландау на «празднике Архимеда». 1961 г.
Е. Лифшиц, М. Бор, Н. Бор, Л. Ландау на «празднике Архимеда». 1961 г.
Кора Ландау показала Бору книги, брошюры и научные статьи мужа. Как ни ленился Дау водить пером (он любил повторять: «Писатель из меня никудышный! Лень водить пером…»), популярные статьи он тоже писал. Взять хотя бы главу «Трагедия света» из научно-популярной брошюры «Что такое теория относительности» (соавтором Дау на этот раз был его старый друг Юлий Борисович Румер):
«…Истинная теория явления отличается от простого пересказывания известных фактов учёными словами именно тем, что из неё следует гораздо больше, нежели дают сами факты, на которых она основывается. …Ограничиваясь одними рассуждениями, мы уподобились бы некоторым древним философам, пытавшимся добывать законы природы из собственной головы. При этом неизбежно возникает опасность, что построенный таким образом мир при всех своих достоинствах окажется весьма мало похожим на действительный.
Верховным судьёй всякой физической теории является опыт. А потому, не ограничиваясь рассуждениями о том, как должен распространяться свет в движущемся поезде, следует обратиться к опытам, которые покажут, как он распространяется в этих условиях на самом деле…
Конструкторы проектируют и будут проектировать свои двигатели, пользуясь законами старой физики, потому что поправки на теорию относительности имеют гораздо меньше влияния на их машины, чем микроб, севший, скажем, на маховик… Но зато физик, наблюдающий столкновение атомных ядер и не учитывающий изменения массы при ядерных превращениях, должен быть изгнан из лаборатории за невежество…
Соотношение между физикой, учитывающей теорию относительности, именуемой иначе релятивистской, и старой физикой, которую называют классической, — примерно такое же, как между высшей геодезией, учитывающей шарообразность Земли, и низшей геодезией, пренебрегающей этой шарообразностью. …Релятивистская физика должна учитывать относительность размеров тела и промежутков времени между двумя событиями — в противоположность классической, для которой этой относительности не существует…
Однако всякая попытка сочетать конечную скорость света с сохранением старых представлений о пространстве и времени ставит нас в глупое положение человека, который знает, что Земля шарообразна, но уверен, что вертикаль того города, где он живёт, есть абсолютная вертикаль, и опасается уходить далеко от места своего жительства, дабы не скатиться кубарем в мировое пространство».
Первое издание книги «Что такое теория относительности» вышло в свет в издательстве «Советская Россия» в 1959 году очень маленьким тиражом — всего 15 тысяч экземпляров (в 1963 году вышло второе издание тиражом 100 тысяч экземпляров). Не прошло и года со дня появления книги, как она была издана в Англии в отличном переводе профессора математической физики Эдинбургского университета Н. Кеммера. «Эта книга является не только блестящим вкладом в научно-популярную литературу, но также показывает в новом и привлекательном аспекте развитие научной мысли в России», — говорится в предисловии к английскому изданию.
Вместе с профессором Румером Ландау написал для газеты «Известия» статью «Парадокс времени».
ПАРАДОКС ВРЕМЕНИ
20 сентября 1519 года флотилия Магеллана отчалила от берегов Испании и начала первое в истории человечества кругосветное плавание. Завершить его удалось лишь одному кораблю. Он прибыл к островам Зеленого Мыса в июле 1522 года.
Моряки, отпущенные на берег, возвратились с поразившей их вестью: на суше четверг, тогда как на корабле, судя по календарю, только среда. Плывшие всё время на запад моряки каким-то непонятным образом потеряли один день, и эта загадка взволновала образованных людей XVI столетия примерно так же, как волнует сейчас наших современников теория относительности.
Учёные вскоре объяснили загадку. Просто-напросто моряки своим первым кругосветным плаванием доказали, что Земля вращается вокруг оси, делая за сутки полный оборот. Моряки подтвердили то, что за четыреста лет до нашей эры Гераклид Понтийский высказал как смелую научную гипотезу.
В наше время образованных людей волнуют разговоры о том, что из теории относительности вытекает принципиальная возможность построить машину времени для путешествия в будущее. Что эта машина мыслится как космическая ракета, летящая со скоростью, близкой к скорости света. Что космонавт после путешествия в такой ракете, сам оставаясь молодым, увидит своих сверстников сильно постаревшими, то есть, иначе говоря, попадёт в будущее.
Справедливы ли эти предположения? Да, справедливы. Более того, мы располагаем сейчас экспериментальными средствами, чтобы доказать принципиальную возможность создания машины времени, хотя до практического воплощения подобной машины, вероятно, ещё очень и очень далеко.
Со времени создания теории относительности Альбертом Эйнштейном прошло более полувека. За это время теория относительности стала краеугольным камнем современной физики. Сегодня физика без теории относительности столь же немыслима, как и без представления об атомно-молекулярной структуре вещества. Теория относительности не только подтверждена огромным количеством опытных фактов, но и нашла инженерно-техническое применение в современных ускорителях заряженных частиц, при расчёте ядерных реакторов и т.д.
И уж если следствия теории относительности проверены высшим судьёй научного познания — практикой, то теория верна, как бы странно ни выглядели для неспециалиста её положения.
Конечно, теория относительности принадлежит к числу «трудных» теорий, и нельзя от каждого читателя требовать свободного обращения с её довольно сложным математическим аппаратом. Однако при помощи нескольких элементарных формул (за помещение их в статье мы просим прощения у читателей и у наборщиков) существо дела можно изложить сравнительно просто.
Вот как выглядит формула, которая связывает изменение длительности промежутков времени Tмежду двумя любыми событиями по «земным» и «ракетным» часам со скоростью движения ракеты.
T ракеты= T Землиv 1 – V?/ C? .
Здесь V— скорость движения ракеты относительно Земли, C— скорость света, равная 300 000 километров в секунду.
Связь между средним временем распада мю-мезона, измеренным по лабораторным часам, и скоростью его движения описывается формулой:
T Земли= 1,53 / v 1 - V?/ C? микросекунд.
Из теории относительности вытекает, что на Земле и на космической ракете время течёт по-разному, то есть ход любых часов и протекание любых биологических процессов на ракете происходит медленнее, чем на Земле. Длительности промежутков времени между двумя любыми событиями по «земным» часам и по «ракетным» часам связаны простой формулой. Оказывается, их отношение зависит от отношения квадрата скорости ракеты относительно Земли к квадрату скорости света. (Напомним, что скорость света равна 300 000 километров в секунду.)
Зависимость эта такова, что пока скорость ракеты мала по сравнению со скоростью света, различие длительностей промежутков времени между двумя любыми событиями на ракете и на Земле настолько ничтожно, что им можно и должно пренебречь.
Иное дело, если бы удалось построить ракету, летящую со скоростью, близкой к скорости света, например, со скоростью 240 000 километров в секунду.
На такой ракете можно было бы предпринять полёт к Сириусу и обратно.
Сириус находится от нас на таком большом расстоянии, что свету нужно шесть лет, чтобы его преодолеть. (Напомним для сравнения, что от Солнца свет доходит к нам в течение всего лишь восьми минут.) Легко подсчитать время, которое потребуется для полёта ракеты со скоростью 240 000 километров в секунду по маршруту Земля — Сириус и обратно. По «земным» часам и календарям для такого рейса понадобится 15 лет.
Если мы теперь подсчитаем время, затраченное на этот рейс космонавтом (по его часам), то окажется, что оно равно девяти годам. Итак, космонавт прилетит обратно «омоложенным» на 15 – 9 = 6 лет. Другими словами, подобная ракета позволит космонавту за девять лет «путешествия во времени» попасть в будущее, отстоящее от него на шесть лет. Увеличивая скорость ракеты, можно совершать путешествия во всё более и более отдалённое будущее.
Отметим, что из теории относительности следует принципиальная возможность создания машины времени только для путешествия в будущее. Напрасно даже надеяться, что дальнейшее развитие науки позволит нам путешествовать в прошлое. Иначе пришлось бы признать принципиально возможными нелепейшие ситуации. В самом деле, отправившись в прошлое, можно было бы очутиться в абсурдном положении человека, родители которого ещё не появились на свет. Путешествие же в будущее таит в себе лишь кажущиеся противоречия.
Каковы же технические перспективы возможности построить машину времени?
При ближайшем рассмотрении они оказываются крайне мизерными. В самом деле, энергия движущейся ракеты, вес которой предельно скромен — одна тонна, при полёте со скоростью 240 000 километров в секунду равна примерно 2,15·1014 киловатт-часов. Столько энергии вырабатывается на всём земном шаре за несколько месяцев.
А ведь ракету надо ещё разгонять в начале путешествия и затормаживать при его завершении, чтобы можно было безопасно приземляться. Если пользоваться современными ракетными двигателями, для этого потребовалась бы совершенно фантастическая энергия. Но даже если удастся сконструировать ракетный двигатель, выбрасывающий продукты сгорания с наибольшей возможной скоростью — скоростью света, то и тогда пришлось бы израсходовать энергию примерно раз в двести большую указанной выше. Итак, на путешествие в будущее в самом лучшем случае понадобится столько энергии, сколько производится на всём земном шаре за несколько десятилетий. Сейчас это явно не по карману человечеству и вряд ли окажется доступным даже в отдалённом будущем. Мы уже не говорим о том, что при таких скоростях движения каждая встречная пылинка превратится в опасный снаряд.
Значит ли это, что у нас нет возможности экспериментально проверить замедление хода времени в ракете, летящей со скоростью, близкой к световой? Вовсе нет! Приведённая нами формула проверена на опыте. У нас нет возможности отправить в полёт космонавта на ракете со скоростью, сравнимой со скоростью света. Но мы можем проверить формулы теории относительности на элементарных частицах, входящих в состав космических лучей, из которых многие, как показывает опыт, летят со скоростью, близкой к скорости света.
Космические лучи, приходящие на землю из мировых пространств и представляющие собой поток быстрых протонов и ядер других лёгких элементов, вызывают в земной атмосфере многочисленные и сложные вторичные явления, в ходе которых возникают разнообразные вторичные частицы. В частности, на небольших высотах значительную часть космических лучей составляют так называемые мю-мезоны.
Их масса приблизительно в 206 раз превышает массу электрона. Скорости мю-мезонов различны: от очень небольших до близких к скорости света.
Мю-мезоны не устойчивы, они способны распадаться на другие частицы. Условимся называть средним временем распада неустойчивой частицы время, в течение которого из пучка частиц половина успевает распасться. Определяя время распада для быстрых мю-мезонов, скорости которых сравнимы со скоростью света, мы можем использовать уже знакомую нам формулу, учитывающую изменение хода часов. Только здесь мы будем искать отношение среднего времени распада, измеренного по часам, связанным с мезоном, к среднему времени распада, измеренному по часам, связанным с лабораторией.
Важно и то, что для авторов «Физики для всех» равноценны научная значимость открытия и его революционная, гуманистическая, нравственная сущность. Взять хотя бы отрывок из второй главы — «Законы движения»:
«Сейчас читателю, может быть, трудно почувствовать революционность открытия Коперника, трудно представить себе, что, отстаивая справедливость его идей, Джордано Бруно пошёл на костёр, а Галилей терпел унижение и ссылку.
В чём же подвиг гения Коперника? Почему открытие вращения Земли можно ставить в один ряд с идеями человеческой справедливости, за которые передовые люди были способны отдать жизнь?
Галилей в своём «Разговоре о двух главных системах мира, пталомеевой и коперниковой», за написание которого он подвергся гонениям церкви, дал противнику коперниковой системы имя Симпличио, что значит «простак».
Действительно, с точки зрения простого непосредственного восприятия мира, того, что не очень удачно называют «здравым смыслом», система Коперника кажется дикой. Как так Земля вертится? Ведь я же вижу, она неподвижна, а вот Солнце и звёзды, действительно, движутся.
Отношение богословов к открытию Коперника показывает такое заключение собрания теологов (1616 г.):
«Учение, что Солнце находится в центре мира и неподвижно, ложно и нелепо, формально еретично и противно священному писанию, а учение, будто Земля не лежит в центре мира и движется, вдобавок обладая суточным вращением, ложно и нелепо с философской точки зрения, с богословской же по меньшей мере ошибочно».
Это заключение, в котором непонимание законов природы и вера в непогрешимость догматов религии перемешаны с ложным «здравым смыслом», лучше всего свидетельствует о силе духа и разума Коперника и его последователей, столь решительно порвавших с «истинами» XVII века».
Любая из шестнадцати глав, будь то «Кирпичи мироздания» или «Энергия вокруг нас», может служить примером мастерского научно-популярного рассказа. А как содержательны короткие статейки о великих физиках под портретами учёных:
«МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ ЛОМОНОСОВ (1711–1765) — замечательный русский учёный, зачинатель науки в России, великий просветитель. В области физики Ломоносов решительно боролся с распространёнными в XVIII веке представлениями об электрических и тепловых «жидкостях», отстаивая молекулярно-кинетическую теорию материи. Ломоносов впервые экспериментально доказал закон постоянства массы веществ, участвующих в химических превращениях. Ломоносов производил обширные исследования в области атмосферного электричества и метеорологии. Он построил ряд замечательных оптических приборов, открыл атмосферу на Венере. Ломоносов создал основы русского научного языка; ему удалось исключительно удачно перевести с латинского языка основные физические и химические термины».
Ещё один портрет, ещё один ультракороткий набросок:
«ИСААК НЬЮТОН (1643–1727) — гениальный английский физик и математик, один из величайших учёных в истории человечества. Ньютон сформулировал основные понятия и законы механики, открыл закон всемирного тяготения, создав тем самым физическую картину мира, оставшуюся неприкосновенной до начала XX века. Он разработал теорию движения небесных тел, объяснил важнейшие особенности движения Луны, дал объяснение приливов и отливов. В оптике Ньютону принадлежат замечательные открытия, способствовавшие бурному развитию этого раздела физики. Ньютон разработал могучий метод математического исследования природы; ему принадлежит честь создания дифференциального и интегрального исчисления. Это оказало громадное влияние на всё последующее развитие физики, способствовало внедрению в неё математических методов исследования».
Едва эта книга увидела свет, как была раскуплена. Лучшие периодические издания печатали отрывки из книги Ландау и Китайгородского. «Физика для всех» действительно доступна всем. Но в первую очередь она адресована молодому читателю, учащимся — она зовёт в науку.
У входа в Центральный Дом литераторов толпа. Сегодня лекция академика Л. Д. Ландау «Проблемы современной физики». Лев Давидович рассказывает о важнейших этапах развития физики, о том, с каким трудом побеждали великие открытия.
Упомянув о термоядерных реакциях, учёный говорит, что пока они практического значения не имеют. Его спрашивают: а как же водородная бомба? Ведь в ней идёт термоядерная реакция? Лектор объясняет: он имел в виду полезное использование этой реакции, ему и в голову не могло прийти, что примером использования термоядерной реакции может служить водородная бомба.
После лекции начинается словесная дуэль. Спрашивающие подходят к кафедре, очередному кто-то кричит: «К барьеру!». Льва Давидовича просят сказать о его отношении к нашумевшей недавно вышедшей научно-популярной книге со множеством ошибок. Зал ждёт громов и молний. Но случается иначе.
– Не надо относиться слишком трагически к изданию нелепой книги: она ведь никому не причинила вреда, — говорит Ландау. — Книга эта вызывает весёлое удивление, но лучше напечатать десять неполноценных книг, чем не напечатать одной хорошей.
Особенно сильное впечатление на аудиторию производят слова учёного о том, что наука обогнала фантазию:
– Сейчас человек может работать сознанием там, где его воображение бессильно.
Когда в Московском драматическом театре имени Моссовета готовили к постановке пьесу Вирты «Летом небо высокое», Юрий Александрович Завадский попросил академика Ландау встретиться с труппой.
– Никто не предлагает изучать физику по романам, — сказал Дау актерам, — но писатель обязан достоверно изображать научный процесс и самих учёных. Среди учёных много весёлых, общительных людей, не надо показывать их угрюмыми, бородатыми старцами, проводящими большую часть жизни у книжных полок, на верхней ступеньке стремянки с тяжёлым фолиантом в руках. Да и расцвет научной деятельности наступает не в восемьдесят лет, а несколько раньше. Настоящие учёные влюблены в науку, поэтому они никогда не говорят о ней в высокопарных выражениях, как это часто бывает на сцене. Говорить о науке торжественно — абсолютно неприлично. В жизни это выглядело бы дико, в жизни ничего подобного не случается.
Как водится, встреча закончилась ответами на вопросы.
– На каком топливе работают наши межконтинентальные ракеты? — полюбопытствовал старый седой актер.
– Не знаю, — честно признался академик.
– А от всех этих спутников будет какая-нибудь польза?
– Тому, кто задал этот вопрос, — ответил Лев Давидович, — я бы посоветовал перечитать Гоголя. Плюшкина, как известно, разорила скупость. Так вот: спутники дают ценную научную информацию. А там, глядишь, и польза какая-нибудь будет.
Переполненный конференц-зал Московского физико-технического института. Молодые, восторженные лица. Напряжённая тишина, странная для такой аудитории. К студентам приехал Лев Давидович Ландау.
Вначале — сугубо научный разговор о проблемах современной физики, об элементарных частицах. В заключение — ответы на вопросы. Дау предстает перед аудиторией во всём блеске остроумия и находчивости. Вопрос — стремительный ответ — взрыв смеха в зале. Снова вопрос — снова молниеносный ответ — и опять гомерический хохот.
– Расскажите о летающих тарелках, — просят Льва Давидовича.
– Интеллигенты, — отвечает академик, — столь же, а может быть, и более, суеверны, чем все остальные люди. Мне кажется, верить в чёрную кошку есть больше оснований, чем, скажем, в снежного человека. Всё-таки кошка — это реальный объект. Лично я не суеверен. Некоторым же людям, видно, приятно быть суеверными. В этой связи уместно привести следующее высказывание Нильса Бора: «Когда имеется конечное число экспериментов и бесконечное количество теорий, то существует бесконечное же количество теорий, удовлетворяющих конечному числу экспериментов ».
– Действительно ли в Америке изучали антигравитацию?
– Во всех странах существуют сумасшедшие.
Дау берёт несколько записок, одну за другой читает их вслух и тут же отвечает:
– «Мне довелось слышать, что однажды на встрече с работниками искусств Москвы вы заявили, что плодотворным научным трудом можно заниматься только четыре часа в сутки. Так ли это?»
Я никогда таких суждений не высказывал. Очень трудно для всех установить регламент занятий. В каждом конкретном случае всё зависит от способностей, усидчивости, настроения человека. Чем больше трудиться, тем лучше! Но, конечно, нельзя заниматься целыми днями наукой — нужен отдых. Когда я был студентом, я занимался так много, что по ночам мне снились формулы…
«Каково значение гравитационной теории?»
Ценность её зависит от того, в какой мере она может быть использована её авторами…
«Были ли вы в лаборатории у Капицы?»
Зачем? — удивляется Дау. — Делать умный вид? Да я бы там все приборы переломал.
Наконец последняя записка:
«Каковы ваши взгляды на спорт? Следует ли научному работнику им заниматься?»
Заниматься спортом приятно. Кроме того, это, по-видимому, полезно для здоровья. Сам я играл в теннис и до сих пор хожу на лыжах.
– Лев Давидович, пожелайте нам что-нибудь на счастье.
– Пожелать можно многое. В первую очередь — успехов в науке. Человек должен стремиться к тому, к чему имеет душевные склонности. Можно быть хорошим специалистом во многих областях человеческой деятельности, не питая особой любви к своей специальности. Но едва ли станешь хорошим специалистом в науке и искусстве, если у тебя к ним не будет лежать душа.
После доклада к Ландау подошёл один из его старых учеников.
– Дау, вы слишком всё упрощаете, — сказал он.
– Чем проще, тем лучше. Надо всегда стремиться к ясности. Исследователь обязан выявить истинную простоту законов природы, которые лежат в основе сложных явлений.
– Да, но тогда каждый дурак всё поймет, и…
– Вот и хорошо, — перебил Дау.
– Ничего хорошего! Он же станет везде кричать: «За что им такие деньги платят?!»
– А вы рассчитываете — если сделать выступление непонятным, он поумнеет и перевоспитается?
– Но он ко мне будет относиться с бо?льшим уважением.
– Не знаю, вам виднее, — улыбнулся Дау.
Осенью 1960 года студенты университета — физфаковцы, которым Ландау в качестве профессора кафедры теоретической физики читал различные курсы теоретической физики, пригласили Льва Давидовича на чашку чая. Пока поднимались на тринадцатый этаж, Лев Давидович разговорился с молодым человеком, который никак не мог решить, кем стать — экспериментатором или теоретиком.
– Главное, что вам больше по душе, — сказал Лев Давидович.
– Эксперименты, — ни минуты не задумываясь, ответил студент.
– Так в чём же дело? — удивился Ландау. — Ни желание ваших родителей, ни советы преподавателя не должны сбивать вас с толку. Добрые советы — вещь хорошая, но следовать им надо осторожно.
Студент обрадованно закивал.
За чаем говорили о выборе профессии, о том, как помогают студентам изданные в 1949 году курс лекций Ландау по общей физике и в 1955 году — курс лекций по теории атомного ядра, написанный вместе с профессором Я. А. Смородинским. Чаепитие продолжалось долго. Расставаться не хотелось. Гурьбой отправились провожать Льва Давидовича. Шли по бульвару Воробьёвского шоссе, перепрыгивая через лужи. Со старых лип падали холодные капли. На крылечке академической квартиры договорились, что чаепитие будет непременно повторено.
В эти годы Л. Д. Ландау был избран членом многих иностранных академий и обществ. В 1951 году его выбрали членом Датской, в 1956 году — Нидерландской академий наук. В 1959 году он был избран членом Британского физического общества, в 1960 году — Британского Королевского общества. В том же году он стал членом Национальной академии наук США и Американской академии наук и искусств, и ему были присуждены премия имени Фрица Лондона (Канада) и медаль имени Макса Планка (ФРГ).
3 мая 1961 года Лев Давидович встречал своего старого учителя Нильса Бора. Патриарх физики приехал в Москву по приглашению Академии наук СССР. На Шереметьевском аэродроме собралось много народу. Первым к трапу подбегает Ландау. Он обеими руками жмёт руку своего учителя и весь светится счастьем. Бор растроганно улыбается, не сводит восхищённого взгляда с ученика.
Они не виделись с 1937 года. Все дни, что Бор провёл в Москве, они почти не разлучались. Бор рассказал Льву Давидовичу о том, как капитулировала Дания, как нацистские власти хотели заставить его работать над созданием нового сверхсекретного оружия. В 1943 году «Комитет свободы» на подводной лодке переправил Бора в Швецию. Из Стокгольма группа Сопротивления доставила Бора в Шотландию. Он летел в бомбовом люке английского истребителя «Москит». Из Англии он попал в Америку и только после войны вернулся на родину.
– Как он счастлив, — говорила о муже госпожа Бор, — что Ландау здоров и жизнерадостен. У нас одно время ходили нелепые слухи, что ему плохо живётся. А на самом деле из всех учеников Нильса Дау меньше всех изменился. Хотя прошло почти тридцать лет, как они познакомились…
Нильс Бор был почётным гостем на весёлом студенческом празднике — на «празднике Архимеда» в МГУ. На площади перед университетом собралось несколько тысяч студентов. Бор выступил с речью, переводил которую Ландау. Слушали Бора с восторгом.
Кора Ландау показала Бору книги, брошюры и научные статьи мужа. Как ни ленился Дау водить пером (он любил повторять: «Писатель из меня никудышный! Лень водить пером…»), популярные статьи он тоже писал. Взять хотя бы главу «Трагедия света» из научно-популярной брошюры «Что такое теория относительности» (соавтором Дау на этот раз был его старый друг Юлий Борисович Румер):
«…Истинная теория явления отличается от простого пересказывания известных фактов учёными словами именно тем, что из неё следует гораздо больше, нежели дают сами факты, на которых она основывается. …Ограничиваясь одними рассуждениями, мы уподобились бы некоторым древним философам, пытавшимся добывать законы природы из собственной головы. При этом неизбежно возникает опасность, что построенный таким образом мир при всех своих достоинствах окажется весьма мало похожим на действительный.
Верховным судьёй всякой физической теории является опыт. А потому, не ограничиваясь рассуждениями о том, как должен распространяться свет в движущемся поезде, следует обратиться к опытам, которые покажут, как он распространяется в этих условиях на самом деле…
Конструкторы проектируют и будут проектировать свои двигатели, пользуясь законами старой физики, потому что поправки на теорию относительности имеют гораздо меньше влияния на их машины, чем микроб, севший, скажем, на маховик… Но зато физик, наблюдающий столкновение атомных ядер и не учитывающий изменения массы при ядерных превращениях, должен быть изгнан из лаборатории за невежество…
Соотношение между физикой, учитывающей теорию относительности, именуемой иначе релятивистской, и старой физикой, которую называют классической, — примерно такое же, как между высшей геодезией, учитывающей шарообразность Земли, и низшей геодезией, пренебрегающей этой шарообразностью. …Релятивистская физика должна учитывать относительность размеров тела и промежутков времени между двумя событиями — в противоположность классической, для которой этой относительности не существует…
Однако всякая попытка сочетать конечную скорость света с сохранением старых представлений о пространстве и времени ставит нас в глупое положение человека, который знает, что Земля шарообразна, но уверен, что вертикаль того города, где он живёт, есть абсолютная вертикаль, и опасается уходить далеко от места своего жительства, дабы не скатиться кубарем в мировое пространство».
Первое издание книги «Что такое теория относительности» вышло в свет в издательстве «Советская Россия» в 1959 году очень маленьким тиражом — всего 15 тысяч экземпляров (в 1963 году вышло второе издание тиражом 100 тысяч экземпляров). Не прошло и года со дня появления книги, как она была издана в Англии в отличном переводе профессора математической физики Эдинбургского университета Н. Кеммера. «Эта книга является не только блестящим вкладом в научно-популярную литературу, но также показывает в новом и привлекательном аспекте развитие научной мысли в России», — говорится в предисловии к английскому изданию.
Вместе с профессором Румером Ландау написал для газеты «Известия» статью «Парадокс времени».
ПАРАДОКС ВРЕМЕНИ
20 сентября 1519 года флотилия Магеллана отчалила от берегов Испании и начала первое в истории человечества кругосветное плавание. Завершить его удалось лишь одному кораблю. Он прибыл к островам Зеленого Мыса в июле 1522 года.
Моряки, отпущенные на берег, возвратились с поразившей их вестью: на суше четверг, тогда как на корабле, судя по календарю, только среда. Плывшие всё время на запад моряки каким-то непонятным образом потеряли один день, и эта загадка взволновала образованных людей XVI столетия примерно так же, как волнует сейчас наших современников теория относительности.
Учёные вскоре объяснили загадку. Просто-напросто моряки своим первым кругосветным плаванием доказали, что Земля вращается вокруг оси, делая за сутки полный оборот. Моряки подтвердили то, что за четыреста лет до нашей эры Гераклид Понтийский высказал как смелую научную гипотезу.
В наше время образованных людей волнуют разговоры о том, что из теории относительности вытекает принципиальная возможность построить машину времени для путешествия в будущее. Что эта машина мыслится как космическая ракета, летящая со скоростью, близкой к скорости света. Что космонавт после путешествия в такой ракете, сам оставаясь молодым, увидит своих сверстников сильно постаревшими, то есть, иначе говоря, попадёт в будущее.
Справедливы ли эти предположения? Да, справедливы. Более того, мы располагаем сейчас экспериментальными средствами, чтобы доказать принципиальную возможность создания машины времени, хотя до практического воплощения подобной машины, вероятно, ещё очень и очень далеко.
Со времени создания теории относительности Альбертом Эйнштейном прошло более полувека. За это время теория относительности стала краеугольным камнем современной физики. Сегодня физика без теории относительности столь же немыслима, как и без представления об атомно-молекулярной структуре вещества. Теория относительности не только подтверждена огромным количеством опытных фактов, но и нашла инженерно-техническое применение в современных ускорителях заряженных частиц, при расчёте ядерных реакторов и т.д.
И уж если следствия теории относительности проверены высшим судьёй научного познания — практикой, то теория верна, как бы странно ни выглядели для неспециалиста её положения.
Конечно, теория относительности принадлежит к числу «трудных» теорий, и нельзя от каждого читателя требовать свободного обращения с её довольно сложным математическим аппаратом. Однако при помощи нескольких элементарных формул (за помещение их в статье мы просим прощения у читателей и у наборщиков) существо дела можно изложить сравнительно просто.
Вот как выглядит формула, которая связывает изменение длительности промежутков времени Tмежду двумя любыми событиями по «земным» и «ракетным» часам со скоростью движения ракеты.
T ракеты= T Землиv 1 – V?/ C? .
Здесь V— скорость движения ракеты относительно Земли, C— скорость света, равная 300 000 километров в секунду.
Связь между средним временем распада мю-мезона, измеренным по лабораторным часам, и скоростью его движения описывается формулой:
T Земли= 1,53 / v 1 - V?/ C? микросекунд.
Из теории относительности вытекает, что на Земле и на космической ракете время течёт по-разному, то есть ход любых часов и протекание любых биологических процессов на ракете происходит медленнее, чем на Земле. Длительности промежутков времени между двумя любыми событиями по «земным» часам и по «ракетным» часам связаны простой формулой. Оказывается, их отношение зависит от отношения квадрата скорости ракеты относительно Земли к квадрату скорости света. (Напомним, что скорость света равна 300 000 километров в секунду.)
Зависимость эта такова, что пока скорость ракеты мала по сравнению со скоростью света, различие длительностей промежутков времени между двумя любыми событиями на ракете и на Земле настолько ничтожно, что им можно и должно пренебречь.
Иное дело, если бы удалось построить ракету, летящую со скоростью, близкой к скорости света, например, со скоростью 240 000 километров в секунду.
На такой ракете можно было бы предпринять полёт к Сириусу и обратно.
Сириус находится от нас на таком большом расстоянии, что свету нужно шесть лет, чтобы его преодолеть. (Напомним для сравнения, что от Солнца свет доходит к нам в течение всего лишь восьми минут.) Легко подсчитать время, которое потребуется для полёта ракеты со скоростью 240 000 километров в секунду по маршруту Земля — Сириус и обратно. По «земным» часам и календарям для такого рейса понадобится 15 лет.
Если мы теперь подсчитаем время, затраченное на этот рейс космонавтом (по его часам), то окажется, что оно равно девяти годам. Итак, космонавт прилетит обратно «омоложенным» на 15 – 9 = 6 лет. Другими словами, подобная ракета позволит космонавту за девять лет «путешествия во времени» попасть в будущее, отстоящее от него на шесть лет. Увеличивая скорость ракеты, можно совершать путешествия во всё более и более отдалённое будущее.
Отметим, что из теории относительности следует принципиальная возможность создания машины времени только для путешествия в будущее. Напрасно даже надеяться, что дальнейшее развитие науки позволит нам путешествовать в прошлое. Иначе пришлось бы признать принципиально возможными нелепейшие ситуации. В самом деле, отправившись в прошлое, можно было бы очутиться в абсурдном положении человека, родители которого ещё не появились на свет. Путешествие же в будущее таит в себе лишь кажущиеся противоречия.
Каковы же технические перспективы возможности построить машину времени?
При ближайшем рассмотрении они оказываются крайне мизерными. В самом деле, энергия движущейся ракеты, вес которой предельно скромен — одна тонна, при полёте со скоростью 240 000 километров в секунду равна примерно 2,15·1014 киловатт-часов. Столько энергии вырабатывается на всём земном шаре за несколько месяцев.
А ведь ракету надо ещё разгонять в начале путешествия и затормаживать при его завершении, чтобы можно было безопасно приземляться. Если пользоваться современными ракетными двигателями, для этого потребовалась бы совершенно фантастическая энергия. Но даже если удастся сконструировать ракетный двигатель, выбрасывающий продукты сгорания с наибольшей возможной скоростью — скоростью света, то и тогда пришлось бы израсходовать энергию примерно раз в двести большую указанной выше. Итак, на путешествие в будущее в самом лучшем случае понадобится столько энергии, сколько производится на всём земном шаре за несколько десятилетий. Сейчас это явно не по карману человечеству и вряд ли окажется доступным даже в отдалённом будущем. Мы уже не говорим о том, что при таких скоростях движения каждая встречная пылинка превратится в опасный снаряд.
Значит ли это, что у нас нет возможности экспериментально проверить замедление хода времени в ракете, летящей со скоростью, близкой к световой? Вовсе нет! Приведённая нами формула проверена на опыте. У нас нет возможности отправить в полёт космонавта на ракете со скоростью, сравнимой со скоростью света. Но мы можем проверить формулы теории относительности на элементарных частицах, входящих в состав космических лучей, из которых многие, как показывает опыт, летят со скоростью, близкой к скорости света.
Космические лучи, приходящие на землю из мировых пространств и представляющие собой поток быстрых протонов и ядер других лёгких элементов, вызывают в земной атмосфере многочисленные и сложные вторичные явления, в ходе которых возникают разнообразные вторичные частицы. В частности, на небольших высотах значительную часть космических лучей составляют так называемые мю-мезоны.
Их масса приблизительно в 206 раз превышает массу электрона. Скорости мю-мезонов различны: от очень небольших до близких к скорости света.
Мю-мезоны не устойчивы, они способны распадаться на другие частицы. Условимся называть средним временем распада неустойчивой частицы время, в течение которого из пучка частиц половина успевает распасться. Определяя время распада для быстрых мю-мезонов, скорости которых сравнимы со скоростью света, мы можем использовать уже знакомую нам формулу, учитывающую изменение хода часов. Только здесь мы будем искать отношение среднего времени распада, измеренного по часам, связанным с мезоном, к среднему времени распада, измеренному по часам, связанным с лабораторией.