Річард Фейнман лекції. "Вірогідність і невизначеність - погляд на природу квантової механіки"

"Фізика - як секс: може не давати практичних результатів, але це не привід нею не займатися"— гасло, з яким Річард Фейнман пройшов життям, захоплюючи тисячі людей своєю нестримною пристрастю. Геніальний вчений, допитливий мікробіолог, вдумливий експерт з писемності майя, художник, музикант і за сумісництвом захоплюючий зломщик сейфів, Фейнман залишив по собі велику наукову спадщину в галузі теоретичної фізики і чималу кількість виступів, в яких професор спробував передати. , багато законів що ми досі не в змозі осягнути.

У цьому сенсі Месенджерівські лекції Фейнмана на тему «Характер фізичних законів», прочитані ним у 1964 році в Корнельському університеті, — універсальний міні-підручник з фізики, в якому коротко, гостро, доступно та емоційно викладено досягнення цієї науки та проблеми, що стоять перед дослідниками. Так, минуло 50 років, багато що змінилося (висунуто теорію струн, відкрито бозон Хіггса, існування темної енергії, розширення Всесвіту), проте ті основи, ті фізичні закони, про які розповідає Фейнман, є універсальним ключем, з яким впевнено можна підходити до знайомства з найсучаснішими відкриттями вчених у цій галузі. Втім, можна обійтися і без цього прагматичного пафосу: лекції Фейнмана — дивовижні, і припадуть до душі кожному, хто стоїть в онімені перед величчю Природи і гармонією, якою пронизано все в нашому світі, — від влаштування клітини до влаштування Всесвіту. Зрештою, як казав сам Фейнман, . Тож насолоджуємося.

Лекція №1

"Закон всесвітнього тяготіння"

У цій лекції Річард Фейнман знайомить глядачів із законом всесвітнього тяжінняяк приклад фізичного закону, розповідає про історію його відкриття, характерних рисах, що відрізняють його від інших законів, і про незвичайні наслідки, які спричинило відкриття гравітації. Ще вчений тут розмірковує про інерцію і про те, наскільки на диво все влаштовано:

Цей закон називали "найбільшим узагальненням, досягнутим людським розумом".Але вже з вступних слівви, мабуть, зрозуміли, що мене цікавить не так людський розум, як чудеса природи, яка може підкорятися таким витонченим і простим законам, як закон всесвітнього тяжіння. Тому ми говоритимемо не про те, наскільки ми розумні, що відкрили цей закон, а про те, як мудра природа, яка дотримується його.

Лекція №2

«Зв'язок фізики та математики»

Математика — це мова, якою говорить природа, на думку Річарда Фейнмана. Всі докази на користь цього висновку дивимося у відео.

Жодними інтелектуальними доказами ви не зможете передати глухому відчуття музики. Так само ніякими інтелектуальними доказами не можна передати розуміння природи людині "інший культури".Філософи намагаються розповісти про природу без математики. Я намагаюся описати природу математично. Але якщо мене не розуміють, то не тому, що це неможливо. Може, моя невдача пояснюється тим, що кругозір цих людей занадто обмежений і вони вважають людину центром Всесвіту.

Лекція №3

«Великі закони збереження»

Тут Річард Фейнман починає розповідати про загальні принципи, якими пронизане все різноманіття фізичних законів, приділяючи особливу увагу принципу закону збереження енергії: історії його відкриття, застосування в різних сферах та загадках, які ставить перед вченими енергія.

Пошуки законів фізики - це начебто дитячої гри в кубики, з яких потрібно зібрати цілу картинку. У нас безліч кубиків, і з кожним днем ​​їх стає все більше. Багато хто валяється осторонь і начебто не підходить до інших. Звідки ми знаємо, що вони всі з одного набору? Звідки ми знаємо, що разом вони мають скласти цільну картинку? Цілковитої впевненості немає, і це нас дещо турбує. Але те, що багато кубиків мають щось спільне, вселяє надію. На всіх намальовано блакитне небо, усі зроблені із дерева одного сорту. Усі фізичні закони підпорядковані одним і тим самим законам збереження.

Джерело відео: Evgeny Kruychkov / Youtube

Лекція №4

«Симетрія у фізичних законах»

Лекція про особливості симетрії фізичних законів, її властивості та протиріччя.

Якщо я говорю про закони симетрії, мені хотілося б сказати вам, що у зв'язку з ними виникло кілька нових завдань. Наприклад, у кожної елементарної часткиє відповідна їй античастка: для електрона це позитрон, для протона – антипротон. У принципі ми могли б створити так звану антиматерію, в якій кожен атом був би складений з відповідних античасток. Так, звичайний атом водню складається з одного протону та одного електрона. Якщо ж взяти один антипротон, електричний зарядякого від'ємний, і один позитрон і об'єднати їх, ми отримаємо атом водню особливого типу, так би мовити, атом антиводню. Причому було встановлено, що в принципі такий атом був би нітрохи не гірший за звичайний і що таким чином можна було б створити антиматерію самого різного виду. Тепер можна запитати, а чи буде така антиматерія поводитися так само, як наша матерія? І, наскільки нам це відомо, відповідь на це питання має бути позитивною. Один із законів симетрії полягає в тому, що якщо ми зробимо установку з антиматерії, то вона поводитиметься так само, як і установка з нашої звичайної матерії. Щоправда, варто звести ці установки в одному місці, як відбудеться анігіляція, і тільки іскри полетять.

Лекція №5

«Відмінність минулого та майбутнього»

Одна з найцікавіших лекцій Фейнмана, яка, за іронією, залишається єдиною непереведеною. Сумувати не варто - для тих, хто не намагається зрозуміти тонкощі наукової англійської, можна прочитати однойменний розділ з книги вченого, для всіх інших - розміщуємо англомовний варіант виступу фізика.

Ми пам'ятаємо минуле, але не пам'ятаємо майбутнього. Наша поінформованість про те, що може статися, зовсім іншого роду, ніж про те, що, мабуть, сталося. Минуле і сучасне зовсім по-різному сприймаються психологічно: для минулого у нас є таке реальне поняття, як пам'ять, а для майбутнього — поняття свободи волі, що здається. Ми впевнені, що якимось чином можемо впливати на майбутнє, але ніхто з нас, за винятком, можливо, одинаків, не думає, що можна змінити минуле. Каяття, жаль і надія — це всі слова, які цілком очевидно проводять межу між минулим і майбутнім<…>. Але якщо все в цьому світі зроблено з атомів і ми теж складаємося з атомів і підкоряємося фізичним законам, то найбільш природно це очевидна відмінність між минулим і майбутнім, ця незворотність всіх явищ пояснювалася б тим, що деякі закони руху атомів мають лише один напрямок — що атомні закони не однакові по відношенню до минулого та майбутнього. Десь має існувати принцип на кшталт: «З ялинки можна зробити палицю, а з палиці не зробиш ялинки»,у зв'язку з чим наш світ постійно змінює свій характер з ялинкового на паличний, і ця незворотність взаємодій повинна бути причиною незворотності всіх явищ нашого життя.

Лекція №6

"Вірогідність і невизначеність - погляд на природу квантової механіки"

Ось як сам Фейнман ставить проблему ймовірності та невизначеності:

У теорії відносності стверджується, що якщо ви вважаєте, що дві події відбулися одночасно, то це лише ваша особиста точка зору, а хтось інший з тією ж підставою може стверджувати, що одне з цих явищ сталося раніше іншого, так що поняття одночасності виявляється суто суб'єктивним<…>. Звичайно, інакше і бути не може, оскільки в нашому повсякденному житті ми маємо справу з величезними скупченнями частинок, дуже повільними процесами та іншими дуже специфічними умовами, тому наш досвід дає нам лише дуже обмежене уявлення про природу. З безпосереднього досвіду можна отримати відомості лише про дуже малу частку природних явищ. І лише за допомогою дуже тонких вимірів і ретельно підготовлених дослідів можна добитися ширшого погляду на речі. А тоді ми починаємо стикатися з несподіванками. Ми спостерігаємо зовсім не те, що могли б припустити, зовсім не те, що ми собі уявляли. Нам доводиться сильніше напружувати свою уяву не для того, щоб, як у художній літературі, уявити те, чого немає насправді, а для того, щоб осягнути те, що справді відбувається. Ось про це я і хочу поговорити сьогодні.

Лекція №7

«У пошуках нових законів»

Строго кажучи, те, про що я збираюся говорити у цій лекції, не можна назвати характеристикою законів фізики. Коли ми розмірковуємо про характер фізичних законів, ми можемо принаймні припускати, що говоримо про саму природу. Але тепер мені хочеться поговорити не так про природу, як про наше ставлення до неї. Мені хочеться розповісти вам про те, що ми вважаємо сьогодні відомим, що ще треба відгадати, і про те, як угадують закони у фізиці. Хтось навіть запропонував, що найкраще, якщо я в міру моєї розповіді помалу поясню вам, як вгадати закон, а насамкінець відкрию для вас новий закон. Не знаю, чи це мені вдасться зробити.

Річард Фейнман про матеріал, яким рухають усі фізичні закони (про матерію), про проблему несумісності фізичних принципів, про місце мовчазних припущень у науці і, звичайно, про те, як відкриваються нові закони.

До читачів російського видання

Це лекції з загальної фізики, які читав фізик-теоретик. Вони зовсім не схожі на жоден відомий курс. Це може здатися дивним: основні принципи класичної фізики, та й не лише класичної, а й квантової, давно встановлені, курс загальної фізики читається у всьому світі в тисячах навчальних закладіввже багато років і йому час перетворитися на стандартну послідовність відомих фактів і теорій, подібно, наприклад, до елементарної геометрії в школі. Однак навіть математики вважають, що їх науці треба вчити по-іншому. А вже про фізику й говорити нема чого: вона настільки інтенсивно розвивається, що навіть найкращі педагоги постійно стикаються з великими труднощами, коли їм треба розповідати студентам про сучасну науку. Вони скаржаться, що їм доводиться ламати те, що прийнято називати старими чи звичними уявленнями. Але звідки беруться звичні уявлення? Зазвичай вони потрапляють у молоді голови в школі від таких самих педагогів, які потім говоритимуть про недоступність ідей сучасної науки. Тому перш ніж підійти до суті справи, доводиться витрачати багато часу на те, щоб переконати слухачів у хибності того, що було навіяно їм раніше як очевидна і незаперечна істина. Було б дико спочатку розповідати школярам «для простоти», що Земля плоска, а потім, як відкриття, повідомляти про її кулястість. А чи далекий від цього абсурдного прикладу той шлях, яким майбутні фахівці входять у сучасний світідей теорії відносності та квантів? Ускладнює справу також та обставина, що здебільшого лектор і слухачі – люди різних поколінь, і лекторові дуже важко уникнути спокуси вести слухачів тією знайомою і надійною дорогою, якою він сам свого часу дійшов до бажаних висот. Однак стара дорога не завжди залишається кращою. Фізика розвивається дуже швидко, і щоб не відставати від неї, треба змінювати шляхи її вивчення. Всі згодні з тим, що фізика - одна з найбільш цікавих наук. Водночас багато підручників фізики ніяк не назвеш цікавими. У таких підручниках викладено все, що слідує за програмою. Там зазвичай пояснюється, яку користь приносить фізика і як важливо її вивчати, але їх дуже рідко можна зрозуміти, чому займатися фізикою цікаво. Адже ця сторона питання теж заслуговує на увагу. Як можна зробити нудний предмет і цікавим і сучасним? Про це насамперед мають подумати ті фізики, які самі працюють із захопленням та вміють передати це захоплення іншим. Час експериментів уже настав. Ціль їх – знайти найбільш ефективні способинавчання фізики, які б швидко передати новому поколінню весь той запас знань, який накопичений наукою за її історію. Пошуки нових шляхів у викладанні також були важливою частиною науки. Викладання, слідуючи розвитку науки, має безперервно змінювати свої форми, ламати традиції, шукати нові методи. Тут важливу роль відіграє та обставина, що в науці весь час відбувається дивовижний процес своєрідного спрощення, який дозволяє просто і коротко викласти те, що колись зажадало багато років роботи.

Надзвичайно цікава спроба в цьому напрямку була зроблена в Каліфорнійському Технологічному інституті (США), який скорочено називають КАЛТЕХ, де група професорів і викладачів після численних дискусій розробила нову програму із загальної фізики, а один з учасників цієї групи, великий американський фізик Річард Фейнман лекції.

Лекції Фейнмана відрізняються тим, що вони звернені до слухача, який живе у другій половині XX століття, який вже багато знає чи чув. Тому в лекціях не витрачається час на пояснення «науковою мовою» того, що й так відомо. Зате в них захоплююче розповідається, як людина вивчає навколишню природу, про досягнуті сьогодні межі в пізнанні світу, про те, які проблеми наука вирішує сьогодні і вирішуватиме завтра.

Лекції читалися у 1961–1962 та 1962–1963 навчальних роках; вони записувалися на магнітофон, та був (і це виявилося саме собою важким завданням) «перекладалися» на «письмовий англійська» професорами М. Сэндсом і Р. Лейтоном. У цьому своєрідному «перекладі» збережено багато особливостей живої мови лектора, її жвавість, жарти, відступи. Однак ця дуже цінна якість лекцій аж ніяк не була головною і самодостатньою. Не менш важливим були створені лектором оригінальні методи подачі матеріалу, в яких відобразилася яскрава наукова індивідуальність автора, його погляд на шляху навчання студентів фізики. Це, певна річ, не випадково. Відомо, що і у своїх наукових працяхФейнман завжди знаходив нові методи, які дуже швидко ставали загальноприйнятими. Роботи Фейнмана з квантової електродинаміки, статистики принесли йому широке визнання, яке метод – звані «діаграми Фейнмана» – використовується зараз практично у всіх галузях теоретичної фізики.

Хоч би що говорили про ці лекції – захоплювалися стилем викладу чи журилися з приводу ламання старих добрих традицій, – одне залишається безперечним: треба розпочинати педагогічні досліди. Напевно, не всі погодяться з манерою автора викладати ті чи інші питання, не всі погодяться з оцінкою цілей та перспектив сучасної фізики. Але це стане стимулом до появи нових книг, в яких отримають відображення інші погляди. Це і є експеримент.

Але питання не лише в тому, що розповідати. Не менш важливим є й інше питання – в якому порядку це треба робити. Розташування розділів усередині курсу загальної фізики та послідовність викладу – питання завжди умовне. Всі частини науки настільки пов'язані один з одним, що часто важко вирішити, що треба викладати спочатку, а потім.

Однак у більшості вузівських програм та наявних підручників досі зберігаються певні традиції.

Відмова від звичної послідовності викладу – одна з відмінних рис фейнманівських лекцій. У них розказано не лише про конкретні завдання, а й про місце, яке займає фізика в низці інших наук, про шляхи опису та вивчення явищ природи. Ймовірно, представники інших наук – скажімо математики – не погодяться з тим місцем, яке відводить цим наукам Фейнман. Для нього, як фізика, «своя» наука, звісно, ​​виглядає найголовнішою. Але ця обставина не займає багато місця у його викладі. Зате в його оповіданні яскраво відображаються ті причини, які спонукають фізика вести важку роботу дослідника, а також ті сумніви, які у нього виникають, коли він стикається з труднощами, які зараз здаються непереборними.

Молодий дослідник природи повинен не тільки зрозуміти, чому цікаво займатися наукою, а й відчути, якою дорогою ціною дістаються перемоги і як часом бувають важкі дороги, які до них ведуть.

До читачів російського видання

Це лекції з загальної фізики, які читав фізик-теоретик. Вони зовсім не схожі на жоден відомий курс. Це може здатися дивним: основні принципи класичної фізики, та й не тільки класичної, але й квантової, давно встановлені, курс загальної фізики читається у всьому світі в тисячах навчальних закладів уже багато років і йому час перетворитися на стандартну послідовність відомих фактів і теорій, подібно наприклад, елементарної геометрії в школі. Однак навіть математики вважають, що їх науці треба вчити по-іншому. А вже про фізику й говорити нема чого: вона настільки інтенсивно розвивається, що навіть найкращі педагоги постійно стикаються з великими труднощами, коли їм треба розповідати студентам про сучасну науку. Вони скаржаться, що їм доводиться ламати те, що прийнято називати старими чи звичними уявленнями. Але звідки беруться звичні уявлення? Зазвичай вони потрапляють у молоді голови в школі від таких самих педагогів, які потім говоритимуть про недоступність ідей сучасної науки. Тому перш ніж підійти до суті справи, доводиться витрачати багато часу на те, щоб переконати слухачів у хибності того, що було навіяно їм раніше як очевидна і незаперечна істина. Було б дико спочатку розповідати школярам «для простоти», що Земля плоска, а потім, як відкриття, повідомляти про її кулястість. А чи такий далекий від цього абсурдного прикладу той шлях, яким майбутні фахівці входять у сучасний світ ідей теорії відносності і квантів? Ускладнює справу також та обставина, що здебільшого лектор і слухачі – люди різних поколінь, і лекторові дуже важко уникнути спокуси вести слухачів тією знайомою і надійною дорогою, якою він сам свого часу дійшов до бажаних висот. Однак стара дорога не завжди залишається кращою. Фізика розвивається дуже швидко, і щоб не відставати від неї, треба змінювати шляхи її вивчення. Усі згодні з тим, що фізика – одна з найцікавіших наук. Водночас багато підручників фізики ніяк не назвеш цікавими. У таких підручниках викладено все, що слідує за програмою. Там зазвичай пояснюється, яку користь приносить фізика і як важливо її вивчати, але їх дуже рідко можна зрозуміти, чому займатися фізикою цікаво. Адже ця сторона питання теж заслуговує на увагу. Як можна зробити нудний предмет і цікавим і сучасним? Про це насамперед мають подумати ті фізики, які самі працюють із захопленням та вміють передати це захоплення іншим. Час експериментів уже настав. Мета їх – знайти найефективніші способи навчання фізиці, які б швидко передати новому поколінню весь той запас знань, який накопичений наукою за її історію. Пошуки нових шляхів у викладанні також були важливою частиною науки. Викладання, слідуючи розвитку науки, має безперервно змінювати свої форми, ламати традиції, шукати нові методи. Тут важливу роль відіграє та обставина, що в науці весь час відбувається дивовижний процес своєрідного спрощення, який дозволяє просто і коротко викласти те, що колись зажадало багато років роботи.

Надзвичайно цікава спроба в цьому напрямку була зроблена в Каліфорнійському Технологічному інституті (США), який скорочено називають КАЛТЕХ, де група професорів і викладачів після численних дискусій розробила нову програму із загальної фізики, а один з учасників цієї групи, великий американський фізик Річард Фейнман лекції.

Лекції Фейнмана відрізняються тим, що вони звернені до слухача, який живе у другій половині XX століття, який вже багато знає чи чув. Тому в лекціях не витрачається час на пояснення «науковою мовою» того, що й так відомо. Зате в них захоплююче розповідається, як людина вивчає навколишню природу, про досягнуті сьогодні межі в пізнанні світу, про те, які проблеми наука вирішує сьогодні і вирішуватиме завтра.

Лекції читалися у 1961–1962 та 1962–1963 навчальних роках; вони записувалися на магнітофон, та був (і це виявилося саме собою важким завданням) «перекладалися» на «письмовий англійська» професорами М. Сэндсом і Р. Лейтоном. У цьому своєрідному «перекладі» збережено багато особливостей живої мови лектора, її жвавість, жарти, відступи. Однак ця дуже цінна якість лекцій аж ніяк не була головною і самодостатньою. Не менш важливим були створені лектором оригінальні методи подачі матеріалу, в яких відобразилася яскрава наукова індивідуальність автора, його погляд на шляху навчання студентів фізики. Це, певна річ, не випадково. Відомо, що у своїх наукових працях Фейнман завжди знаходив нові методи, які дуже швидко ставали загальноприйнятими. Роботи Фейнмана з квантової електродинаміки, статистики принесли йому широке визнання, яке метод – звані «діаграми Фейнмана» – використовується зараз практично у всіх галузях теоретичної фізики.

Хоч би що говорили про ці лекції – захоплювалися стилем викладу чи журилися з приводу ламання старих добрих традицій, – одне залишається безперечним: треба розпочинати педагогічні досліди. Напевно, не всі погодяться з манерою автора викладати ті чи інші питання, не всі погодяться з оцінкою цілей та перспектив сучасної фізики. Але це стане стимулом до появи нових книг, в яких отримають відображення інші погляди. Це і є експеримент.

Але питання не лише в тому, що розповідати. Не менш важливим є й інше питання – в якому порядку це треба робити. Розташування розділів усередині курсу загальної фізики та послідовність викладу – питання завжди умовне. Всі частини науки настільки пов'язані один з одним, що часто важко вирішити, що треба викладати спочатку, а потім.

Однак у більшості вузівських програм та наявних підручників досі зберігаються певні традиції.

Відмова від звичної послідовності викладу – одна з відмінних рис фейнманівських лекцій. У них розказано не лише про конкретні завдання, а й про місце, яке займає фізика в низці інших наук, про шляхи опису та вивчення явищ природи. Ймовірно, представники інших наук – скажімо математики – не погодяться з тим місцем, яке відводить цим наукам Фейнман. Для нього, як фізика, «своя» наука, звісно, ​​виглядає найголовнішою. Але ця обставина не займає багато місця у його викладі. Зате в його оповіданні яскраво відображаються ті причини, які спонукають фізика вести важку роботу дослідника, а також ті сумніви, які у нього виникають, коли він стикається з труднощами, які зараз здаються непереборними.

Молодий дослідник природи повинен не тільки зрозуміти, чому цікаво займатися наукою, а й відчути, якою дорогою ціною дістаються перемоги і як часом бувають важкі дороги, які до них ведуть.

Треба також мати на увазі, що якщо спочатку автор обходився без математичного апарату або використовував лише той, який викладений у лекціях, то від читача, у міру просування його вперед, буде потрібно збільшення його математичного багажу. Втім, досвід показує, що математичний аналіз (принаймні його основи) вивчається зараз легше, ніж фізика.

Лекції Фейнмана вийшли у США у трьох великих томах. Перший містить в основному лекції з механіки та теорії теплоти, другий – електродинаміку та фізику суцільних середовищ, а третій – квантову механіку. Щоб книга була доступна більшій кількості читачів і щоб нею було зручніше користуватися, російське видання виходитиме невеликими випусками. Перші чотири їх відповідають першому тому американського видання.

Кому буде корисна ця книга? Насамперед – викладачам, які її прочитають цілком: вона змусить їх замислитися про зміну поглядів на те, як починати навчати фізиці. Далі її прочитають студенти. Вони знайдуть у ній багато нового, крім того, що вони дізнаються на лекціях. Звісно, ​​її намагатимуться читати і школярі. Більшості з них буде важко здолати все, але й те, що вони зможуть прочитати та зрозуміти, допоможе їм увійти до сучасну науку, шлях у яку завжди буває важким, але ніколи не буває нудним. Тому, хто не вірить, що може пройти його, не варто братися до вивчення цієї книги! І, нарешті, її можуть читати й інші. Читати просто так, для насолоди. Це також дуже корисно. Фейнман у своїй передмові оцінює результати свого досвіду не дуже високо: дуже мала частка студентів, які прослухали його курс, засвоїли всі лекції. Але так і має бути.

Глава 1

АТОМИ У РУХІ

§ 1. Введення

§ 3. Атомні процеси

§ 4. Хімічні реакції

§ 1. Введення

Цей дворічний курс фізики розрахований на те, що ви, читачу, маєте намір стати фізиком. Припустимо, це не так вже й обов'язково, але який викладач не сподівається на це! Якщо ви дійсно хочете бути фізиком, вам доведеться багато попрацювати. Як-не-як, а двісті років бурхливого розвитку найпотужнішої області знання щось та означають! Така велика кількість матеріалу, мабуть, і не засвоїш за чотири роки; Після цього потрібно ще прослухати спеціальні курси.

І все ж таки весь результат колосальної роботи, виконаної за ці століття, вдається сконденсувати - звести в невелику кількість законів, які підсумовують усі наші знання. Однак і закони ці теж нелегко засвоїти, і просто нечесно по відношенню до вас було б починати вивчення такого важкого предмета, не маючи під рукою якоїсь схеми, якогось нарису взаємозв'язку одних частин науки з іншими. Перші три розділи і є такий нарис. Ми познайомимося в цих розділах про те, як пов'язана фізика з іншими науками, як ставляться ці інші науки один до одного, та й що таке сама наука. Це допоможе нам відчути предмет фізики.

Ви запитаєте: чому б відразу, на першій же сторінці, не привести основні закони, а після тільки показувати, як вони працюють у різних умовах? Адже саме так чинять у геометрії: сформулюють аксіоми, а потім залишається тільки робити висновки. (Непогана думка: викласти за 4 хвилини те, що й у 4 роки не покладеш.) Зробити це неможливо з двох причин. По-перше, нам відомі не всі основні закони; навпаки, чим більше ми дізнаємося, тим більше розширюються межі того, що ми повинні пізнати! По-друге, точне формулювання законів фізики пов'язана з багатьма незвичайними ідеями і поняттями, що вимагають свого опису настільки ж незвичайної математики. Потрібна чимала практика тільки для того, щоб навчитися розуміти сенс слів. Тож ваша пропозиція не пройде. Прийде нам рухатися поступово, крок за кроком.

Кожен крок у вивченні природи - це лише наближення до істини, вірніше, до того що, що ми вважаємо істиною. Все, що ми дізнаємося, - це якесь наближення, бо ми знаємо, що не всі закони ми знаємо. Все вивчається лише для того, щоб знову стати незрозумілим або, у кращому разі, вимагати виправлення.

Принцип науки, майже її визначення, полягає в наступному: пробний камінь усіх наших знань – це досвід. Досвід, експеримент – це єдиний суддя наукової «істини». А в чому джерело знань? Звідки надходять ті закони, які ми перевіряємо? Та з того ж досвіду; він допомагає нам виводити закони, в ньому таяться натяки на них. А ще треба ще уяву, щоб за натяками побачити щось велике і головне, щоб відгадати несподівану, просту і прекрасну картину, що постає за ними, і потім поставити досвід, який переконав би нас у правильності здогадки. Цей процес уяви настільки важкий, що відбувається поділ праці: бувають фізики-теоретики, вони уявляють, розуміють і відгадують нові закони, але дослідів не ставлять, і бувають фізики-експериментатори, заняття яких - ставити досліди, уявляти, розуміти і відгадувати.

Ми сказали, що закони природи – це наближення; спершу відкривають «неправильні» закони, а потім уже – «правильні». Але як досвід може бути "невірним"? Ну, по-перше, з найпростішої причини: коли у ваших приладах щось негаразд, а ви цього не помічаєте. Але таку помилку легко вловити, треба лише перевіряти і перевіряти. Ну, а якщо не прискіпуватися до дрібниць, чи можуть результати досвіду бути помилковими? Можуть через брак точності. Наприклад, маса предмета здається незмінною; дзига, що обертається, важить стільки ж, скільки лежить на місці. Ось вам і готовий закон: маса постійна і від швидкості не залежить. Але цей «закон», як з'ясовується, є невірним. Виявилося, що маса зі збільшенням швидкості зростає, але тільки для помітного зростання потрібні швидкості, близькі до світлової. Правильний закон такий: якщо швидкість предмета менша за 100 км/сек, маса з точністю до однієї мільйонної постійна. Ось приблизно у такій наближеній формі цей закон є вірним. Можна подумати, що практично немає суттєвої різниці між старим законом та новим. І так і ні. Для звичайних швидкостей можна забути про застереження і хорошому наближенні вважати законом твердження, що маса постійна. Але на великих швидкостях ми почнемо помилятися, і тим більше, ніж швидкість вища.

Але найпрекрасніше, що із загальної точки зору будь-який наближений закон є абсолютно помилковим. Наш погляд на світ вимагатиме перегляду навіть тоді, коли маса зміниться хоч на крапельку. Це - характерна властивістьзагальної картини світу, що стоїть за законами. Навіть незначний ефект іноді потребує глибокої зміни наших поглядів.

То що нам потрібно вивчити спочатку? Чи вчити нам правильні, але незвичайні закони з їхніми дивними та важкими поняттями, наприклад теорію відносності, чотиривимірний простір-час тощо? Чи почати з простого закону «постійної маси»? Він хоч і наближений, зате обходиться без важких уявлень. Перше, безперечно, приємніше, привабливіше; перше дуже спокушає, але з другого почати легше, і потім це перший крок до поглибленого розуміння правильної ідеї. Це питання постає весь час, коли викладаєш фізику. на різних етапахкурсу ми по-різному вирішуватимемо його, але на кожній стадії ми намагатимемося викласти, що саме зараз відомо і з якою точністю, як це узгоджується з іншим і що може змінитися, коли ми дізнаємося про це більше.

Давайте перейдемо до нашої схеми, до нарису нашого розуміння сучасної науки (насамперед фізики, але також інших близьких до неї наук), так що, коли пізніше нам доведеться вникати в різні питання, ми зможемо бачити, що лежить в їх основі, чим вони цікаві і як укладаються в загальну структуру.

Отже, як виглядає картина світу?

§ 2. Речовина складається з атомів

Якби внаслідок якоїсь світової катастрофи всі накопичені наукові знаннявиявились би знищеними і до майбутніх поколінь живих істот перейшла б лише одна фраза, то яке твердження, складене з найменшої кількості слів, принесло б найбільшу інформацію? Я вважаю, що це - атомна гіпотеза (можете називати її не гіпотезою, а фактом, але це нічого не змінює): всі тіла складаються з атомів - маленьких тілець, які перебувають у безперервному русі, притягуються на невеликій відстані, але відштовхуються, якщо одне їх щільніше притиснути до іншого. В одній цій фразі, як ви переконаєтеся, міститься неймовірна кількість інформації про світ, варто лише прикласти до неї трохи уяви та міркування.

Щоб показати силу ідеї атома, уявимо собі крапельку води розміром 0,5 см. Якщо ми уважно розглядатимемо її, то нічого, крім води, спокійної, суцільної води, ми не побачимо. Навіть під найкращим оптичним мікроскопом при 2000-кратному збільшенні, коли крапля прийме розміри великої кімнати, і то ми все ще побачимо відносно спокійну воду, хіба що по ній почнуть шарувати якісь «футбольні м'ячі». Ця парамеція – дуже цікава штука. На цьому ви можете затриматися і зайнятися парамецією, її віями, дивитися, як вона стискається і розтискається, і на подальше збільшення махнути рукою (якщо вам не захочеться розглянути її зсередини). Парамеціями займається біологія, а ми пройдемо повз них і, щоб ще краще розглянути воду, збільшимо її знову в 2000 разів. Тепер крапля виросте до 20 км, і ми побачимо, як у ній щось кишить; тепер вона вже не така спокійна та суцільна, тепер вона нагадує натовп на стадіоні у день футбольного змагання з висоти пташиного польоту. Що це кишить? Щоб розглянути краще, збільшимо ще 250 разів. Нашому погляду буде щось схоже на фіг. 1.1.

Фіг. 1.1. Крапля води (збільшена у мільярд разів).

Це крапля води, збільшена у мільярд разів, але, звісно, ​​картина ця умовна. Насамперед частинки зображені тут спрощено, з різкими краями – це перша неточність. Для простоти вони розташовані на площині, насправді вони блукають у всіх трьох вимірах – це по-друге. На малюнку видно «клакси» (або кружечки) двох сортів – чорні (кисень) та білі (водень); видно, що до кожного кисню прилаштувалися два водні. (Така група з атома кисню і двох атомів водню називається молекулою.) Нарешті, третє спрощення полягає в тому, що справжні частки в природі безперервно тремтять і підстрибують, крутячись і крутячись одна навколо іншої. Ви повинні уявити на картинці не спокій, а рух. На малюнку не можна також показати, як частинки «липнуть одна до одної», притягуються, чіпляються одна до одної і т. д. Можна сказати, що цілі групи чимось «склеєні». Однак жодне з тілець не здатне протиснутися крізь інше. Якщо ви спробуєте притиснути одне до одного, вони відштовхнуться.

Радіус атомів приблизно дорівнює 1 або 2 на 10 -8 см. Розмір 10 -8 см це ангстрем, отже радіус атома дорівнює 1 чи 2 ангстремам (А). А ось інший спосіб...

З передмови до читачів російського видання:
Усі згодні з тим, що фізика – одна з найцікавіших наук. Водночас багато підручників фізики ніяк не назвеш цікавими. У таких підручниках викладено все, що слідує за програмою. Там зазвичай пояснюється, яку користь приносить фізика і як важливо її вивчати, але їх дуже рідко можна зрозуміти, чому займатися фізикою цікаво. Адже ця сторона питання теж заслуговує на увагу. Як можна зробити нудний предмет і цікавим і сучасним? Про це насамперед мають подумати ті фізики, які самі працюють із захопленням та вміють передати це захоплення іншим. Час експериментів уже настав. Мета їх - знайти найефективніші способи навчання фізиці, які б швидко передати новому поколінню весь той запас знань, який накопичений наукою за її історію. Пошуки нових шляхів у викладанні також були важливою частиною науки. Викладання, слідуючи розвитку науки, має безперервно змінювати свої форми, ламати традиції, шукати нові методи. Тут важливу роль відіграє та обставина, що в науці постійно відбувається дивовижний процес своєрідного спрощення, який дозволяє просто і коротко викласти те, що колись зажадало багато років роботи.

Надзвичайно цікава спроба в цьому напрямку була зроблена в Каліфорнійському Технологічному інституті (США), який скорочено називають КАЛТЕХ, де група професорів і викладачів після численних дискусій розробила нову програму із загальної фізики, а один з учасників цієї групи, великий американський фізик Річард Фейнман лекції.

Лекції Фейнмана відрізняються тим, що вони звернені до слухача, який живе у другій половині XX століття, який вже багато знає чи чув. Тому в лекціях не витрачається час на пояснення «науковою мовою» того, що й так відомо. Зате в них захоплююче розповідається, як людина вивчає навколишню природу, про досягнуті сьогодні межі в пізнанні світу, про те, які проблеми наука вирішує сьогодні і вирішуватиме завтра.

Лекції читалися у 1961-1962 та 1962-1963 навчальних роках; вони записувалися на магнітофон, та був (і це виявилося саме собою важким завданням) «перекладалися» на «письмовий англійська» професорами М. Сэндсом і Р. Лейтоном. У цьому своєрідному «перекладі» збережено багато особливостей живої мови лектора, її жвавість, жарти, відступи. Однак ця дуже цінна якість лекцій аж ніяк не була головною і самодостатньою. Не менш важливим були створені лектором оригінальні методи подачі матеріалу, в яких відобразилася яскрава наукова індивідуальність автора, його погляд на шляху навчання студентів фізики. Це, певна річ, не випадково. Відомо, що у своїх наукових працях Фейнман завжди знаходив нові методи, які дуже швидко ставали загальноприйнятими. Роботи Фейнмана з квантової електродинаміки, статистики принесли йому широке визнання, яке метод - звані «діаграми Фейнмана» - використовується зараз майже переважають у всіх галузях теоретичної фізики.

Хоч би що говорили про ці лекції - захоплювалися стилем викладу чи журилися з приводу ломки старих добрих традицій,- одне залишається безперечним: треба починати педагогічні досліди. Напевно, не всі погодяться з манерою автора викладати ті чи інші питання, не всі погодяться з оцінкою цілей та перспектив сучасної фізики. Але це стане стимулом до появи нових книг, в яких отримають відображення інші погляди. Це і є експеримент. Але питання не лише в тому, що розповідати. Не менш важливим є й інше питання – в якому порядку це треба робити.

Розташування розділів усередині курсу загальної фізики та послідовність викладу – питання завжди умовне. Всі частини науки настільки пов'язані один з одним, що часто важко вирішити, що треба викладати спочатку, а потім. Однак у більшості вузівських програм та наявних підручників досі зберігаються певні традиції.

Відмова від звичної послідовності викладу – одна з відмінних рис фейнманівських лекцій. У них розказано не лише про конкретні завдання, а й про місце, яке займає фізика в низці інших наук, про шляхи опису та вивчення явищ природи. Ймовірно, представники інших наук – скажімо, математики – не погодяться з тим місцем, яке відводить цим наукам Фейнман. Для нього, як фізика, «своя» наука, звісно, ​​виглядає найголовнішою. Але ця обставина не займає багато місця у його викладі. Зате в його оповіданні яскраво відображаються ті причини, які спонукають фізика вести важку роботу дослідника, а також ті сумніви, які у нього виникають, коли він стикається з труднощами, які зараз здаються непереборними.

Молодий дослідник природи повинен не тільки зрозуміти, чому цікаво займатися наукою, а й відчути, якою дорогою ціною дістаються перемоги і як часом бувають важкі дороги, які до них ведуть.

Треба також мати на увазі, що якщо спочатку автор обходився без математичного апарату або використовував лише той, який викладений у лекціях, то від читача, у міру просування його вперед, буде потрібно збільшення його математичного багажу. Втім, досвід показує, що математичний аналіз (принаймні його основи) вивчається зараз легше, ніж фізика.

Кому буде корисна ця книга? Насамперед - викладачам, які її прочитають цілком: вона змусить їх замислитися про зміну поглядів, що склалися, на те, як починати навчати фізики. Далі її прочитають студенти. Вони знайдуть у ній багато нового, крім того, що вони дізнаються на лекціях. Звісно, ​​її намагатимуться читати і школярі. Більшості з них буде важко здолати все, але й те, що вони зможуть прочитати і зрозуміти, допоможе їм увійти до сучасної науки, шлях до якої завжди буває важким, але ніколи не буває нудним. Тому, хто не вірить, що може пройти його, не варто братися до вивчення цієї книги! І, нарешті, її можуть читати й інші. Читати просто так, для насолоди. Це також дуже корисно. Фейнман у своїй передмові оцінює результати свого досвіду не дуже високо: дуже мала частка студентів, які прослухали його курс, засвоїли всі лекції. Але так і має бути. Перший досвід рідко дає повний успіх. Нові ідеї завжди знаходять спочатку лише трохи прихильників і лише поступово стають звичними.