Ричард Файнман изнася лекции. „Вероятност и несигурност – поглед към природата на квантовата механика“

„Физиката е като секса: може да не дава практически резултати, но това не е причина да не го правите“- лозунгът, с който Ричард Файнман премина през живота, пленявайки хиляди хора с необузданата си страст. Блестящ учен, любознателен микробиолог, внимателен експерт по писмеността на маите, художник, музикант и крадец на сейфове на непълно работно време, Файнман остави след себе си обширно научно наследство в областта на теоретичната физика и значителен брой речи, в които Професорът се опита да ни предаде своето възхищение от гениалността и простотата на природата, много закони, които все още не можем да разберем.

В този смисъл Feynman's Messenger лекции по темата „Природата на физическите закони“, прочетена от него през 1964 г. в Корнелския университет, е универсален мини-учебник по физика, който кратко, остро, достъпно и емоционално представя постиженията на тази наука и проблемите, стоящи пред изследователите. Да, изминаха 50 години, много се промени (струнната теория беше предложена, бозонът на Хигс беше открит, съществуването на тъмна енергия, разширяването на Вселената), но тези основи, онези физични закони, за които говори Файнман, са универсален ключ, с който можете уверено да се запознаете с най-новите открития на учените в тази област. Но можете и без този прагматичен патос: лекциите на Файнман са невероятни и ще се харесат на всеки, който стои вцепенен пред величието на природата и хармонията, която прониква във всичко в нашия свят, от структурата на клетката до структурата на Вселената. . В крайна сметка, както каза самият Файнман, . Така че нека му се насладим.

Лекция №1

"Законът на универсалната гравитация"

В тази лекция Ричард Файнман запознава зрителите със закона универсална гравитациякато пример за физичен закон, говори за историята на откриването му, характерни особености, разграничавайки го от другите закони, както и за необикновените последици, до които е довело откриването на гравитацията. Друг учен тук разсъждава върху инерцията и колко невероятно работи всичко:

Този закон се наричаше „най-голямото обобщение, постигнато от човешкия ум“.Но вече от встъпителни бележкивероятно разбирате, че се интересувам не толкова от човешкия ум, колкото от чудесата на природата, която може да се подчинява на толкова елегантни и прости закони като закона за всемирното притегляне. Затова няма да говорим за това колко сме умни, като сме открили този закон, а колко мъдра е природата, за да го спазва.

Лекция №2

"Връзката между физика и математика"

Математиката е езикът, на който говори природата, според Ричард Файнман. Всички аргументи в полза на това заключение са във видеото.

Никакви интелектуални аргументи не могат да предадат на глух човек усещането за музика. По същия начин никакви интелектуални аргументи не могат да предадат на човека разбиране за природата. "друга култура"Философите се опитват да говорят за природата без математика. Опитвам се да опиша природата математически. Но ако не ме разбират, не е защото е невъзможно. Може би провалът ми се обяснява с факта, че хоризонтът на тези хора е твърде ограничен и те смятат човека за център на Вселената.

Лекция No3

„Великите закони на опазването“

Тук Ричард Файнман започва да говори за общите принципи, които проникват в цялото разнообразие от физични закони, като обръща специално внимание на принципа на закона за запазване на енергията: историята на откриването му, приложението му в различни области и мистериите, които енергията поставя за учени.

Търсенето на законите на физиката е като детска игра на кубчета, от които трябва да сглобите цяла картина. Имаме огромно разнообразие от кубчета и всеки ден те стават все повече и повече. Мнозина лежат отстрани и сякаш не се вписват сред другите. Как да разберем, че всички са от една и съща група? Откъде знаем, че заедно те трябва да образуват цялостна картина? Няма пълна сигурност и това донякъде ни притеснява. Но фактът, че много кубчета имат нещо общо, ни дава надежда. Всички имат изрисувани сини небеса, всички са направени от един и същи вид дърво. Всички физически закони са подчинени на едни и същи закони за запазване.

Източник на видео: Евгений Круичков / Youtube

Лекция №4

"Симетрия във физическите закони"

Лекция за характеристиките на симетрията на физическите закони, нейните свойства и противоречия.

Тъй като говоря за законите на симетрията, бих искал да ви кажа, че във връзка с тях възникнаха няколко нови проблема. Например всеки елементарна частицаима съответна античастица: за електрона това е позитрон, за протона е антипротон. По принцип бихме могли да създадем така наречената антиматерия, в която всеки атом ще бъде изграден от съответни античастици. Така обикновеният водороден атом се състои от един протон и един електрон. Ако вземем един антипротон, електрически зарядкойто е отрицателен, и един позитрон и ги комбинираме, тогава получаваме специален тип водороден атом, така да се каже, антиводороден атом. Освен това беше установено, че по принцип такъв атом не би бил по-лош от обикновения и че по този начин би било възможно да се създаде самата антиматерия различни видове. Сега е позволено да попитаме дали такава антиматерия ще се държи точно по същия начин като нашата материя? И, доколкото знаем, отговорът на този въпрос трябва да е да. Един от законите на симетрията е, че ако направим инсталация от антиматерия, тя ще се държи точно както инсталация от нашата обикновена материя. Вярно е, че щом тези инсталации се съберат на едно място, ще настъпи унищожение и ще хвърчат само искри.

Лекция № 5

"Разликата между минало и бъдеще"

Една от най-интересните лекции на Файнман, която по ирония на съдбата остава единствената непреведена. Няма нужда да се обезсърчавате - за тези, които не се опитват да разберат тънкостите на научния английски, можете да прочетете едноименната глава от книгата на учения, за всички останали - публикуваме английска версия на речта на физика .

Помним миналото, но не помним бъдещето. Нашето съзнание за това какво може да се случи е от много различен вид от нашето съзнание за това, което вероятно вече се е случило. Миналото и настоящето се възприемат психологически по напълно различни начини: за миналото имаме такова реално понятие като памет, а за бъдещето имаме понятието привидна свободна воля. Сигурни сме, че по някакъв начин можем да повлияем на бъдещето, но никой от нас, с изключение може би на необвързаните, не мисли, че може да промени миналото. Покаяние, съжаление и надежда са думи, които ясно очертават границата между миналото и бъдещето.<…>. Но ако всичко в този свят е направено от атоми и ние също се състоим от атоми и се подчиняваме на физическите закони, тогава най-естествено тази очевидна разлика между миналото и бъдещето, тази необратимост на всички явления ще се обясни с факта, че някои закони на атома движението има само една посока - че атомните закони не са еднакви по отношение на миналото и бъдещето. Трябва да има принцип някъде като: „Можете да направите пръчка от коледно дърво, но не можете да направите коледно дърво от пръчка,“във връзка с което нашият свят непрекъснато променя характера си от коледна елха в пръчка - и тази необратимост на взаимодействията трябва да е причината за необратимостта на всички явления от нашия живот.

Лекция №6

„Вероятност и несигурност – поглед към природата на квантовата механика“

Ето как самият Файнман поставя проблема за вероятността и несигурността:

Теорията на относителността гласи, че ако вярвате, че две събития са се случили по едно и също време, тогава това е само вашата лична гледна точка и някой друг със същата причина може да твърди, че едно от тези събития се е случило преди другото, така че концепцията на едновременността се оказва чисто субективна<…>. Разбира се, не може да бъде другояче, тъй като в ежедневието си имаме работа с огромни струпвания от частици, много бавни процеси и други много специфични условия, така че нашият опит ни дава само много ограничено разбиране за природата. Само много малка част от природните феномени могат да бъдат извлечени от пряк опит. И само с помощта на много фини измервания и внимателно подготвени експерименти може да се постигне по-широк поглед върху нещата. И тогава започваме да се сблъскваме с изненади. Това, което наблюдаваме, съвсем не е това, което сме могли да си представим, съвсем не е това, което сме си представяли. Трябва да напрегнем повече въображението си не за да си представим, както в художествената литература, нещо, което всъщност го няма, а за да разберем какво наистина се случва. Това е, за което искам да говоря днес.

Лекция No7

„В търсене на нови закони“

Строго погледнато, това, за което ще говоря в тази лекция, не може да се нарече характеристика на законите на физиката. Когато говорим за природата на физическите закони, можем поне да приемем, че говорим за самата природа. Но сега искам да говоря не толкова за природата, колкото за нашето отношение към нея. Бих искал да ви разкажа за това, което смятаме за известно днес, какво остава да се гадае и за това как се отгатват законите във физиката. Някой дори предложи, че би било най-добре, ако, както ви казвам, малко по малко, ви обясня как да познаете закона и накрая да ви разкрия нов закон. Не знам дали мога да направя това.

Ричард Файнман за материала, който движи всички физически закони (материята), за проблема с несъвместимостта на физическите принципи, за мястото на мълчаливите предположения в науката и, разбира се, за това как се откриват нови закони.

До читателите на руското издание

Това са лекции по обща физика, водени от теоретичен физик. Те изобщо не са подобни на нито един известен курс. Това може да изглежда странно: основните принципи на класическата физика, и не само класическата, но и квантовата, отдавна са установени, курсът по обща физика се преподава по целия свят в хиляди образователни институциивече много години и е време да се превърне в стандартна последователност от известни факти и теории, подобно например на елементарната геометрия в училище. Въпреки това дори математиците смятат, че тяхната наука трябва да се преподава по различен начин. А за физиката няма какво да се каже: тя се развива толкова интензивно, че дори най-добрите учители постоянно се сблъскват с големи трудности, когато трябва да разкажат на учениците за съвременната наука. Те се оплакват, че трябва да разчупят така наречените стари или обичайни идеи. Но откъде идват обичайните идеи? Обикновено те влизат в младите глави в училище от същите учители, които след това ще говорят за недостъпността на идеите на съвременната наука. Ето защо, преди да се стигне до същината на въпроса, трябва да се отдели много време, за да се убедят слушателите в фалшивостта на това, което преди това им е било внушено като очевидна и неизменна истина. Би било лудост първо да кажете на учениците „за простота“, че Земята е плоска, а след това като откритие да съобщите, че е сферична. Пътят, по който бъдещите специалисти навлизат в професията, толкова ли е далеч от този абсурден пример? модерен святидеи на теорията на относителността и квантовата? Въпросът се усложнява и от факта, че в по-голямата си част лекторът и слушателите са хора от различни поколения и за лектора е много трудно да се отърве от изкушението да поведе слушателите по познатия и надежден път, по който самият той навремето време достигна желаните висоти. Старият път обаче не остава завинаги най-добрият. Физиката се развива много бързо и за да сме в крак с нея, трябва да променим начина, по който я изучаваме. Всички са съгласни, че физиката е една от най интересни науки. В същото време много учебници по физика не могат да се нарекат интересни. В такива учебници е описано всичко, което следва програмата. Те обикновено обясняват какви ползи носи физиката и колко е важно да се изучава, но от тях много рядко може да се разбере защо изучаването на физика е интересно. Но и тази страна на въпроса заслужава внимание. Как можете да направите един скучен предмет едновременно интересен и модерен? Преди всичко тези физици, които сами работят със страст и знаят как да предадат тази страст на другите, трябва да помислят за това. Времето за експериментиране вече е настъпило. Тяхната цел е да намерят най-много ефективни начиниобучение по физика, което би позволило бързото предаване на новото поколение на целия запас от знания, натрупани от науката през цялата й история. Намирането на нови начини за преподаване винаги е било важна част от науката. Обучението, следвайки развитието на науката, трябва непрекъснато да променя своите форми, да нарушава традициите и да търси нови методи. Важна роля тук играе фактът, че в науката непрекъснато протича удивителен процес на своеобразно опростяване, което позволява просто и кратко да се представи това, което някога е изисквало много години работа.

Изключително интересен опит в тази насока е направен в Калифорнийския технологичен институт (САЩ), който се нарича съкратено CALTECH, където група професори и учители след множество дискусии разработиха нова програма по обща физика, а един от участниците в тази група чете лекции видният американски физик Ричард Фейнман.

Лекциите на Файнман се отличават с това, че са адресирани до слушател, живеещ през втората половина на 20 век, който вече знае или е чувал много. Следователно лекциите не губят време да обясняват на „научен език“ това, което вече е известно. Но те увлекателно разказват как човек изучава природата около себе си, за границите, достигнати днес в познанието за света, за това какви проблеми науката решава днес и ще реши утре.

Лекции са изнасяни през 1961–1962 и 1962–1963 учебни години; те бяха записани на лента и след това (и това се оказа трудна задача само по себе си) „преведени“ на „писмен английски“ от професорите М. Сандс и Р. Лейтън. Този уникален „превод“ запазва много от характеристиките на живата реч на лектора, нейната живост, шеги и отклонения. Но това толкова ценно качество на лекциите съвсем не беше основното и самодостатъчно. Не по-малко важни са оригиналните методи на представяне на материала, създаден от преподавателя, които отразяват ярката научна индивидуалност на автора и неговата гледна точка за начина на обучение на студентите по физика. Това, разбира се, не е случайно. Известно е, че в техните научни трудовеФайнман винаги намира нови методи, които бързо стават общоприети. Работата на Файнман върху квантовата електродинамика и статистика му донесе широко признание и неговият метод - така наречените "диаграми на Файнман" - сега се използва в почти всички области на теоретичната физика.

Каквото и да говорят за тези лекции - дали се възхищават от стила на изложение или оплакват нарушаването на добрите стари традиции - едно остава безспорно: необходимо е да се започнат педагогически експерименти. Вероятно не всеки ще се съгласи с начина, по който авторът представя определени въпроси и не всеки ще се съгласи с оценката на целите и перспективите на съвременната физика. Но това ще стимулира появата на нови книги, в които ще бъдат отразени други възгледи. Това е експеримент.

Но въпросът не е само какво да се каже. Друг не по-малко важен въпрос е в какъв ред да става това. Местоположението на разделите в общия курс по физика и последователността на представяне винаги е условен въпрос. Всички части на науката са толкова свързани помежду си, че често е трудно да се реши кое трябва да бъде представено първо и какво следва.

Въпреки това, в повечето университетски програми и наличните учебници някои традиции все още са запазени.

Отказът от обичайната последователност на представяне е една от отличителните черти на Файнман изнася лекции. Те разказват не само за конкретни задачи, но и за мястото, което физиката заема в редица други науки, за начините за описание и изучаване на природни явления. Вероятно представители на други науки - да речем математика - няма да се съгласят с мястото, което Файнман отрежда на тези науки. За него, като физик, „неговата“ наука, разбира се, изглежда най-важна. Но това обстоятелство не заема много място в изложението му. Но неговата история ясно отразява причините, които мотивират един физик да извършва тежката работа на един изследовател, както и съмненията, които възникват, когато той е изправен пред трудности, които сега изглеждат непреодолими.

Младият естествен учен трябва не само да разбере защо е интересно да се занимаваш с наука, но и да усети на каква цена се печелят победите и колко трудни понякога са пътищата, водещи до тях.

До читателите на руското издание

Това са лекции по обща физика, водени от теоретичен физик. Те изобщо не са подобни на нито един известен курс. Това може да изглежда странно: основните принципи на класическата физика, и не само класическата, но и квантовата, отдавна са установени, курсът по обща физика се преподава по целия свят в хиляди образователни институции в продължение на много години и е време за да се превърне в стандартна последователност от известни факти и теории, като например елементарната геометрия в училище. Въпреки това дори математиците смятат, че тяхната наука трябва да се преподава по различен начин. А за физиката няма какво да се каже: тя се развива толкова интензивно, че дори най-добрите учители постоянно се сблъскват с големи трудности, когато трябва да разкажат на учениците за съвременната наука. Те се оплакват, че трябва да разчупят така наречените стари или обичайни идеи. Но откъде идват обичайните идеи? Обикновено те влизат в младите глави в училище от същите учители, които след това ще говорят за недостъпността на идеите на съвременната наука. Ето защо, преди да се стигне до същината на въпроса, трябва да се отдели много време, за да се убедят слушателите в фалшивостта на това, което преди това им е било внушено като очевидна и неизменна истина. Би било лудост първо да кажете на учениците „за простота“, че Земята е плоска, а след това като откритие да съобщите, че е сферична. Дали пътят, по който бъдещите специалисти навлизат в съвременния свят на идеите на теорията на относителността и квантовата теория, е толкова далеч от този абсурден пример? Въпросът се усложнява и от факта, че в по-голямата си част лекторът и слушателите са хора от различни поколения и за лектора е много трудно да се отърве от изкушението да поведе слушателите по познатия и надежден път, по който самият той навремето време достигна желаните висоти. Старият път обаче не остава завинаги най-добрият. Физиката се развива много бързо и за да сме в крак с нея, трябва да променим начина, по който я изучаваме. Всички са съгласни, че физиката е една от най-интересните науки. В същото време много учебници по физика не могат да се нарекат интересни. В такива учебници е описано всичко, което следва програмата. Те обикновено обясняват какви ползи носи физиката и колко е важно да се изучава, но от тях много рядко може да се разбере защо изучаването на физика е интересно. Но и тази страна на въпроса заслужава внимание. Как можете да направите един скучен предмет едновременно интересен и модерен? Преди всичко тези физици, които сами работят със страст и знаят как да предадат тази страст на другите, трябва да помислят за това. Времето за експериментиране вече е настъпило. Тяхната цел е да намерят най-ефективните начини за преподаване на физика, което би им позволило бързо да прехвърлят на ново поколение целия запас от знания, натрупани от науката през цялата й история. Намирането на нови начини за преподаване винаги е било важна част от науката. Обучението, следвайки развитието на науката, трябва непрекъснато да променя своите форми, да нарушава традициите и да търси нови методи. Важна роля тук играе фактът, че в науката непрекъснато протича удивителен процес на своеобразно опростяване, което позволява просто и кратко да се представи това, което някога е изисквало много години работа.

Изключително интересен опит в тази насока е направен в Калифорнийския технологичен институт (САЩ), който се нарича съкратено CALTECH, където група професори и учители след множество дискусии разработиха нова програма по обща физика, а един от участниците в тази група чете лекции видният американски физик Ричард Фейнман.

Лекциите на Файнман се отличават с това, че са адресирани до слушател, живеещ през втората половина на 20 век, който вече знае или е чувал много. Следователно лекциите не губят време да обясняват на „научен език“ това, което вече е известно. Но те увлекателно разказват как човек изучава природата около себе си, за границите, достигнати днес в познанието за света, за това какви проблеми науката решава днес и ще реши утре.

Лекциите се изнасят през 1961–1962 и 1962–1963 учебни години; те бяха записани на лента и след това (и това се оказа трудна задача само по себе си) „преведени“ на „писмен английски“ от професорите М. Сандс и Р. Лейтън. Този уникален „превод“ запазва много от характеристиките на живата реч на лектора, нейната живост, шеги и отклонения. Но това толкова ценно качество на лекциите съвсем не беше основното и самодостатъчно. Не по-малко важни са оригиналните методи на представяне на материала, създаден от преподавателя, които отразяват ярката научна индивидуалност на автора и неговата гледна точка за начина на обучение на студентите по физика. Това, разбира се, не е случайно. Известно е, че в своите научни трудове Файнман винаги намира нови методи, които много бързо стават общоприети. Работата на Файнман върху квантовата електродинамика и статистика му донесе широко признание и неговият метод - така наречените "диаграми на Файнман" - сега се използва в почти всички области на теоретичната физика.

Каквото и да говорят за тези лекции - дали се възхищават от стила на изложение или оплакват нарушаването на добрите стари традиции - едно остава безспорно: необходимо е да се започнат педагогически експерименти. Вероятно не всеки ще се съгласи с начина, по който авторът представя определени въпроси и не всеки ще се съгласи с оценката на целите и перспективите на съвременната физика. Но това ще стимулира появата на нови книги, в които ще бъдат отразени други възгледи. Това е експеримент.

Но въпросът не е само какво да се каже. Друг не по-малко важен въпрос е в какъв ред да става това. Местоположението на разделите в общия курс по физика и последователността на представяне винаги е условен въпрос. Всички части на науката са толкова свързани помежду си, че често е трудно да се реши кое трябва да бъде представено първо и какво следва.

Въпреки това, в повечето университетски програми и наличните учебници някои традиции все още са запазени.

Отхвърлянето на обичайната последователност на изложение е една от отличителните черти на лекциите на Файнман. Те разказват не само за конкретни задачи, но и за мястото, което физиката заема в редица други науки, за начините за описание и изучаване на природни явления. Вероятно представители на други науки - да речем математика - няма да се съгласят с мястото, което Файнман отрежда на тези науки. За него, като физик, „неговата“ наука, разбира се, изглежда най-важна. Но това обстоятелство не заема много място в изложението му. Но неговата история ясно отразява причините, които мотивират един физик да извършва тежката работа на един изследовател, както и съмненията, които възникват, когато той е изправен пред трудности, които сега изглеждат непреодолими.

Младият естествен учен трябва не само да разбере защо е интересно да се занимаваш с наука, но и да усети на каква цена се печелят победите и колко трудни понякога са пътищата, водещи до тях.

Трябва също така да се има предвид, че ако първоначално авторът е направил без математически апарат или е използвал само този, представен в лекции, тогава читателят, докато се движи напред, ще трябва да увеличи своите математически знания. Опитът обаче показва, че математическият анализ (поне неговите основи) вече е по-лесен за научаване от физиката.

Лекциите на Файнман са публикувани в САЩ в три големи тома. Първият съдържа основно лекции по механика и теория на топлината, вторият по електродинамика и физика на континуума, а третият по квантова механика. За да бъде книгата достъпна за по-голям брой читатели и за по-удобна употреба, руското издание ще бъде издадено в малък тираж. Първите четири от тях отговарят на първия том на американското издание.

Кой ще се възползва от тази книга? На първо място, към учителите, които го прочетат изцяло: това ще ги накара да се замислят дали да променят съществуващите си възгледи за това как да започнат да преподават физика. След това учениците ще го прочетат. Те ще намерят много нови неща в него в допълнение към това, което научават на лекции. Разбира се, учениците също ще се опитат да го прочетат. Повечето от тях трудно ще преодолеят всичко, но това, което могат да прочетат и разберат, ще им помогне да влязат съвременна наука, пътят към който винаги е труден, но никога скучен. Всеки, който не вярва, че може да го премине, не трябва да се захваща с изучаването на тази книга! И накрая, всеки друг може да го прочете. Четете просто за забавление. Това също е много полезно. В предговора си Файнман не оценява много високо резултатите от своя експеримент: твърде малка част от студентите, които са взели неговия курс, са научили всички лекции. Но така трябва да бъде.

Глава 1

АТОМИТЕ В ДВИЖЕНИЕ

§ 1. Въведение

§ 3. Атомни процеси

§ 4. Химична реакция

§ 1. Въведение

Този двугодишен курс по физика е предназначен за вас, читателите, да станете физик. Разбира се, това не е толкова необходимо, но кой учител не се надява на това! Ако наистина искате да станете физик, ще трябва да работите много. В крайна сметка двеста години бързо развитие на най-мощната област на знанието означават нещо! Такова изобилие от материал може би не може да се усвои за четири години; След това все още трябва да вземете специални курсове.

И все пак, целият резултат от колосалната работа, извършена през тези векове, може да бъде кондензиран - сведен до малък брой закони, които обобщават цялото ни знание. Тези закони обаче също не са лесни за усвояване и би било просто нечестно да започнете да изучавате толкова труден предмет, без да имате под ръка някаква диаграма, някакво очертание на връзката на някои части от науката с други. Първите три глави представляват такова есе. В тези глави ще се запознаем с това как физиката е свързана с други науки, как тези други науки са свързани една с друга и какво представлява самата наука. Това ще ни помогне да „почувстваме“ предмета на физиката.

Може да попитате: защо не веднага, на първата страница, да дадете основните закони и след това само да покажете как работят различни условия? В края на краищата точно това правят в геометрията: формулират аксиоми и след това остава само да се направят изводи. (Идеята не е лоша: да обясниш за 4 минути това, което не си могъл да обясниш за 4 години.) Това е невъзможно да се направи по две причини. Първо, ние не знаем всички основни закони; напротив, колкото повече научаваме, толкова повече се разширяват границите на това, което трябва да знаем! Второ, точната формулировка на законите на физиката включва много необичайни идеи и концепции, които изискват също толкова необичайна математика, за да бъдат описани. Необходима е много практика, за да разберете значението на думите. Така че предложението ви няма да мине. Ще трябва да се движим постепенно, стъпка по стъпка.

Всяка стъпка в изучаването на природата винаги е само приближаване към истината или по-скоро към това, което смятаме за истина. Всичко, което научаваме, е някакво приближение, защото знаем, че все още не знаем всички закони. Всичко се изучава само за да стане отново неразбираемо или в най-добрия случай да изисква корекция.

Принципът на науката, почти нейното определение, е следният: пробният камък на цялото ни знание е опитът. Опитът, експериментът е единственият съдник на научната „истина“. Какъв е източникът на знанието? Откъде идват законите, които тестваме? Да, от същия опит; помага ни да изведем закони; съдържа намеци за тях. А на всичкото отгоре ни трябва и въображение, за да видим нещо голямо и важно зад намеците, за да отгатнем неочакваната, проста и красива картина, която се появява зад тях, и след това да направим експеримент, който да ни убеди в правилността на предположението. Този процес на въображение е толкова труден, че се получава разделение на труда: има физици теоретични, те си представят, измислят и отгатват нови закони, но не провеждат експерименти, и има физици експериментатори, чиято работа е да провеждат експерименти, представете си, разберете и познайте.

Казахме, че законите на природата са приближени; първо откриват „грешните“ закони, а след това откриват „правилните“. Но как едно преживяване може да бъде „погрешно“? Е, първо, по най-простата причина: когато нещо не е наред във вашите устройства и вие не го забелязвате. Но такава грешка е лесна за улавяне, просто трябва да проверите и проверите всичко. Е, ако не се заяждате с малките неща, може ли резултатите от експеримента все още да са грешни? Те могат, поради липса на точност. Например, масата на даден обект изглежда постоянна; Въртящият се връх тежи същото като този, който лежи неподвижно. Ето го „законът“ за вас: масата е постоянна и не зависи от скоростта. Но този „закон“, както се оказва, е неправилен. Оказа се, че масата нараства с увеличаване на скоростта, но само за забележим растеж са необходими скорости, близки до светлинните. Правилният закон е следният: ако скоростта на обект е по-малка от 100 км/сек, масата е постоянна с точност до една милионна. Този закон е приблизително точен в тази приблизителна форма. Човек може да си помисли, че практически няма съществена разлика между стария закон и новия. Да и не. За обикновените скорости можете да забравите за резервите и с добро приближение да приемете твърдението, че масата е постоянна, за закон. Но при високи скорости ще започнем да правим грешки и колкото по-висока е скоростта, толкова повече.

Но най-забележителното е, че от обща гледна точка всеки приблизителен закон е абсолютно погрешен. Нашето виждане за света ще изисква преразглеждане, дори когато масата се промени дори малко. Това - характерно свойствообщата картина на света, която стои зад законите. Дори незначителен ефект понякога изисква дълбока промяна в нашите възгледи.

И така, какво трябва да изучаваме първо? Трябва ли да преподаваме правилни, но необичайни закони с техните странни и трудни концепции, като теорията на относителността, четириизмерното пространство-време и т.н.? Или трябва да започнем с простия закон за „постоянната маса“? Въпреки че е близо, той се справя без трудни идеи. Първият несъмнено е по-приятен и привлекателен; Първият е много примамлив, но вторият е по-лесен за начало и тогава това е първата стъпка към по-дълбоко разбиране на правилната идея. Този въпрос възниква постоянно, когато преподаваме физика. На различни етапиЩе се заемем с него по различен начин през курса, но на всеки етап ще се опитаме да изложим това, което е известно сега и с каква точност, как се вписва в останалото и какво може да се промени, когато научим повече за него.

Нека да преминем към нашата схема, към схема на нашето разбиране за съвременната наука (предимно физиката, но също и други свързани науки), така че когато по-късно трябва да се задълбочим в различни въпроси, да можем да видим какво лежи в основата им, защо са интересни и как се вписват в обща структура.

И така, как изглежда картината на света?

§ 2. Материята се състои от атоми

Ако в резултат на някаква глобална катастрофа всички натрупани научно познаниеби било унищожено и само една фраза ще бъде предадена на бъдещите поколения живи същества, кое твърдение, съставено от най-малко думи, би донесло най-много информация? Вярвам, че това е атомната хипотеза (можете да я наречете не хипотеза, а факт, но това не променя нищо): всички тела се състоят от атоми - малки тела, които са в непрекъснато движение, привличат се на кратко разстояние, но отблъскват, ако единият ги притисне по-плътно към другия. Тази една фраза, както ще видите, съдържа невероятно количество информация за света, просто трябва да приложите малко въображение и малко мисъл.

За да покажем силата на идеята за атом, нека си представим капка вода с размери 0,5 см. Ако я погледнем отблизо, няма да видим нищо друго освен вода, спокойна, непрекъсната вода. Дори под най-добрия оптичен микроскоп при 2000-кратно увеличение, когато капката придобие размерите на голяма стая, ние пак ще видим относително спокойна вода, освен ако някои „футболни топки“ не започнат да се стрелкат през нея. Тази парамеция е много интересно нещо. В този момент можете да се задържите и да се погрижите за парамецията, нейните реснички, да наблюдавате как се свива и отпуска и да се откажете от по-нататъшното уголемяване (освен ако не искате да го прегледате отвътре). Биологията се занимава с парамеции, а ние ще минем покрай тях и за да видим водата още по-добре, ще я увеличим отново 2000 пъти. Сега спадът ще нарасне до 20 км и ще видим нещо гъмжащо в него; сега вече не е толкова спокоен и солиден, сега прилича на тълпа на стадион в деня на футболен мач от птичи поглед. С какво гъмжи от това? За да се види по-добре, нека го увеличим още 250 пъти. Очите ни ще видят нещо подобно на фиг. 1.1.

Фиг. 1.1. Капка вода (увеличена милиард пъти).

Това е капка вода, увеличена милиард пъти, но, разбира се, тази картина е относителна. Първо, тук частиците са изобразени опростено, с остри ръбове - това е първата неточност. За простота те са разположени на равнина, но всъщност се скитат и в трите измерения - това е второто нещо. Фигурата показва „петна“ (или кръгове) от два вида - черно (кислород) и бяло (водород); Може да се види, че два водорода са прикрепени към всеки кислород. (Такава група от кислороден атом и два водородни атома се нарича молекула.) И накрая, третото опростяване е, че истинските частици в природата постоянно се разклащат и подскачат, усукват се и се въртят една около друга. Трябва да си представите в картината не почивка, а движение. Фигурата също не може да покаже как частиците се „прилепват една към друга“, привличат, залепват една за друга и т.н. Можем да кажем, че цели групи от тях са „залепени“ от нещо. Въпреки това, нито едно тяло не е в състояние да се промъкне през другото. Ако се опитате да насила един срещу друг, те ще се отблъснат.

Радиусът на атома е приблизително 1 или 2 на 10 -8 см. Стойността 10 -8 см е ангстрьом, така че радиусът на атома е 1 или 2 ангстрьома (A). Ето още един начин...

От предговора към читателите на руското издание:
Всички са съгласни, че физиката е една от най-интересните науки. В същото време много учебници по физика не могат да се нарекат интересни. В такива учебници е описано всичко, което следва програмата. Те обикновено обясняват какви ползи носи физиката и колко е важно да се изучава, но от тях много рядко може да се разбере защо изучаването на физика е интересно. Но и тази страна на въпроса заслужава внимание. Как можете да направите един скучен предмет едновременно интересен и модерен? Преди всичко тези физици, които сами работят със страст и знаят как да предадат тази страст на другите, трябва да помислят за това. Времето за експериментиране вече е настъпило. Тяхната цел е да намерят най-ефективните начини за преподаване на физика, които бързо да предадат на ново поколение целия запас от знания, натрупани от науката през цялата й история. Намирането на нови начини за преподаване винаги е било важна част от науката. Обучението, следвайки развитието на науката, трябва непрекъснато да променя своите форми, да нарушава традициите и да търси нови методи. Важна роля тук играе фактът, че в науката непрекъснато протича удивителен процес на своеобразно опростяване, което позволява просто и кратко да се представи това, което някога е изисквало много години работа.

Изключително интересен опит в тази насока е направен в Калифорнийския технологичен институт (САЩ), който се нарича съкратено CALTECH, където група професори и учители след множество дискусии разработиха нова програма по обща физика, а един от участниците в тази група чете лекции видният американски физик Ричард Фейнман.

Лекциите на Файнман се отличават с това, че са адресирани до слушател, живеещ през втората половина на 20 век, който вече знае или е чувал много. Следователно лекциите не губят време да обясняват на „научен език“ това, което вече е известно. Но те увлекателно разказват как човек изучава природата около себе си, за границите, достигнати днес в познанието за света, за това какви проблеми науката решава днес и ще реши утре.

Лекциите се изнасят през 1961-1962 и 1962-1963 учебни години; те бяха записани на лента и след това (и това се оказа трудна задача само по себе си) „преведени“ на „писмен английски“ от професорите М. Сандс и Р. Лейтън. Този уникален „превод“ запазва много от характеристиките на живата реч на лектора, нейната живост, шеги и отклонения. Но това толкова ценно качество на лекциите съвсем не беше основното и самодостатъчно. Не по-малко важни са оригиналните методи на представяне на материала, създаден от преподавателя, които отразяват ярката научна индивидуалност на автора и неговата гледна точка за начина на обучение на студентите по физика. Това, разбира се, не е случайно. Известно е, че в своите научни трудове Файнман винаги намира нови методи, които много бързо стават общоприети. Работата на Файнман върху квантовата електродинамика и статистика му донесе широко признание и неговият метод - така наречените "диаграми на Файнман" - сега се използва в почти всички области на теоретичната физика.

Каквото и да казват за тези лекции - дали се възхищават от стила на изложение или оплакват нарушаването на добрите стари традиции - едно остава безспорно: педагогическите експерименти трябва да започнат. Вероятно не всеки ще се съгласи с начина, по който авторът представя определени въпроси и не всеки ще се съгласи с оценката на целите и перспективите на съвременната физика. Но това ще стимулира появата на нови книги, в които ще бъдат отразени други възгледи. Това е експеримент. Но въпросът не е само какво да се каже. Друг не по-малко важен въпрос е в какъв ред да става това.

Местоположението на разделите в общия курс по физика и последователността на представяне винаги е условен въпрос. Всички части на науката са толкова свързани помежду си, че често е трудно да се реши кое трябва да бъде представено първо и какво следва. Въпреки това, в повечето университетски програми и наличните учебници някои традиции все още са запазени.

Отхвърлянето на обичайната последователност на изложение е една от отличителните черти на лекциите на Файнман. Те разказват не само за конкретни задачи, но и за мястото, което физиката заема в редица други науки, за начините за описание и изучаване на природни явления. Вероятно представители на други науки - да речем математика - няма да се съгласят с мястото, което Файнман отрежда на тези науки. За него, като физик, „неговата“ наука, разбира се, изглежда най-важна. Но това обстоятелство не заема много място в изложението му. Но неговата история ясно отразява причините, които мотивират един физик да извършва тежката работа на един изследовател, както и съмненията, които възникват, когато той е изправен пред трудности, които сега изглеждат непреодолими.

Младият естествен учен трябва не само да разбере защо е интересно да се занимаваш с наука, но и да усети на каква цена се печелят победите и колко трудни понякога са пътищата, водещи до тях.

Трябва също така да се има предвид, че ако първоначално авторът е направил без математически апарат или е използвал само този, представен в лекции, тогава читателят, докато се движи напред, ще трябва да увеличи своите математически знания. Опитът обаче показва, че математическият анализ (поне неговите основи) вече е по-лесен за научаване от физиката.

Кой ще се възползва от тази книга? На първо място, към учителите, които го прочетат изцяло: това ще ги накара да се замислят дали да променят съществуващите си възгледи за това как да започнат да преподават физика. След това учениците ще го прочетат. Те ще намерят много нови неща в него в допълнение към това, което научават на лекции. Разбира се, учениците също ще се опитат да го прочетат. Повечето от тях трудно ще усвоят всичко, но това, което могат да прочетат и разберат, ще им помогне да навлязат в съвременната наука, пътят към която винаги е труден, но никога скучен. Всеки, който не вярва, че може да го премине, не трябва да се захваща с изучаването на тази книга! И накрая, всеки друг може да го прочете. Четете просто за забавление. Това също е много полезно. В предговора си Файнман не оценява много високо резултатите от своя експеримент: твърде малка част от студентите, които са взели неговия курс, са научили всички лекции. Но така трябва да бъде. Първият опит рядко носи пълен успех. Новите идеи винаги намират само няколко поддръжници в началото и едва постепенно стават известни.