ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Существуют два типа физиков — экспериментаторы и теоретики. Эти две профессии почти никогда не совмещаются в одном лице. Физики-экспериментаторы исследуют соотношения между физическими величинами, или, говоря более торжественно, открывают законы природы, пользуясь экспериментальными установками, т. е. измеряя физические величины с помощью приборов. Для того чтобы знать, как и что измерять, надо глубоко понимать связи между изучаемыми явлениями.

Физики-теоретики изучают природу, пользуясь только бумагой и карандашом, иначе говоря, выводят математически новые соотношения между наблюдаемыми величинами, опираясь на найденные ранее экспериментально и теооетически законы природы.

Причина разделения этих двух профессий не только в том, что каждая из них требует своих специальных знаний — знаний методов измерения — в одном случае и владения математическим аппаратом — в другом. Главная причина разделения в том, что эти профессии требуют разных типов мышления и разных форм интуиции. Между тем интуиция, т. е. способность подсознательно находить правильный путь, играет важнейшую роль, особенно на первых стадиях работы. Поскольку теоретическая физика имеет дело с более отвлеченными понятиями, чем физика экспериментальная, физику-теоретику требуется более абстрактная форма интуиции, близкая иногда к интуиции математика.

В прошлом веке, когда физика не была еще так специализирована, многие физики совмещали обе профессии. Так, Дж. Максвелл, который получил теоретически удивительные уравнения, объединившие электричество, магнетизм и оптику, занимался и экспериментальными работами. Г. Герц, обнаруживший экспериментально электромагнитные волны, был одновременно и хорошим теоретиком. И все-таки в каждом случае можно указать, какая из профессий главная: для Максвелла это теоретическая физика, а для Герца — физика экспериментальная.

Великим физиком-теоретиком был А. Эйнштейн. Пользуясь только бумагой и карандашом, он создал теорию относительности, согласно которой время течет по-разному в неподвижной системе и в системе, равномерно движущейся относительно наблюдателя. Как показали эксперименты последних десятилетий, быстро движущиеся нестабильные частицы (например, пи-мезоны или мюоны) распадаются медленнее, чем неподвижные, в точном соответствии с формулой, полученной Эйнштейном. При скорости, приближающейся к скорости света, время жизни частицы неограниченно возрастает.

Замечательный итальянский физик Э. Ферми наряду со многими другими теоретическими работами создал теорию радиоактивного распада (см. Радиоактивность) и вместе с физиками своей группы открыл экспериментально, что почти все химические элементы делаются радиоактивными при бомбардировке нейтронами. Но и в этом случае можно указать главную профессию — это теоретическая физика.

Прекрасным теоретиком, тесно связанным с экспериментом, был советский академик Г. И. Будкер, у которого теоретическая физика совмещалась с замечательными инженерными идеями. Он теоретически разработал ускоритель на встречных пучках заряженных частиц и руководил его созданием в Новосибирском академгородке. В таком ускорителе вся энергия идет на рождение частиц, тогда как при столкновении энергичной частицы с неподвижной мишенью на рождение новых частиц идет только малая доля энергии.

Стиль и способ подхода к решению задач различны у разных физиков-теоретиков. Есть теоретики, для которых несущественно, каким способом получен результат, лишь бы цель была достигнута. Но есть и такие, которые любят методику теоретической работы и добиваются того, чтобы результат был получен не искусственным путем, а методом, наиболее соответствующим задаче. Этим достигается более глубокое понимание, а следовательно, и большая достоверность результатов. Существуют абстрактные физики-теоретики, решающие задачи, не связанные непосредственно с опытом; и физики-теоретики, работающие в тесном контакте с экспериментаторами. Для таких теоретиков заметную часть работы составляет теоретический анализ эксперимента, уже сделанного или предполагаемого. Наряду с теоретиками, предпочитающими строгий математический подход, к сожалению редко возможный при анализе реальных явлений (см. Физика и математика), существуют физики, для которых важнее подход качественный, когда результаты получаются сначала на упрощенных моделях и по возможности наглядно.

Среди физиков нашей страны наиболее ярким примером теоретика, сочетавшего глубокое качественное понимание явлений с виртуозным математическим аппаратом, был Л. Д. Ландау. В. А. Фок добивался максимально строгой постановки вопроса. Он получил важнейшие результаты в квантовой теории, решая задачи, допускающие строгую математическую формулировку. И. Е. Тамм сочетал различные стили: иногда это были работы по изучению приближенных моделей явления, а иногда, как и у Л. Д. Ландау, исследования сложной физической задачи приближенными методами. Н. Н. Боголюбов представляет собой редкий пример сочетания двух профессий — математика и теоретического физика. Для него характерно строгое исследование сознательно упрощенных моделей явления. И. Я. По-меранчук ставил своей целью находить такие вопросы и строить теорию таких явлений, которые вскрывают самые глубинные свойства физического мира. Поэтому его работы всегда оказывались на переднем крае науки. Большое влияние на развитие многих областей теоретической физики оказал замечательный физик Я. И. Френкель. Ему принадлежит громадное число физических идей, которые он выдвигал, не стремясь довести работу до конца, ограничиваясь качественным рассмотрением задач.

Теоретическая физика как отдельная наука началась с И. Ньютона, который превратил идею всемирного тяготения в физическую теорию, подтвержденную опытом. Надо было объяснить, почему планеты движутся по эллипсам с фокусом в месте нахождения Солнца и почему кубы радиусов орбит пропорциональны квадратам периодов обращения. Ньютон доказал, что это следует из предположения, что между двумя массами действует сила, пропорциональная произведению масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между телами. Но и после введения силы тяготения нужно было преодолеть колоссальные по тому времени математические трудности, чтобы получить количественное объяснение движения планет с учетом возмущений, вызванных влиянием соседних небесных тел. Ньютон вычислил возмущения движения Луны под влиянием Солнца и построил теорию приливов, которые он объяснил лунным притяжением.

Наконец, перечислим главные направления развития теоретической физики.

Это, прежде всего, получение количественных соотношений между наблюдаемыми величинами. Так, например, пользуясь законами движения электронов в металле, теоретики рассчитали кривую зависимости электрического сопротивления от температуры и объяснили природу сверхпроводимости.

Другое направление — это создание адекватных методов математического описания законов природы. Сюда входят использование и развитие тех методов математики, которые позволяют выявить свойства симметрии законов природы. Количественное завершение идей общей теории относительности (теории тяготения) стало возможным только в результате применения методов описания величин в пространстве с геометрическими свойствами, изменяющимися от точки к точке. Для многих задач теоретической физики наиболее подходящий способ — решение их с помощью электронных вычислительных машин.

И наконец, самое главное направление — это отыскание тех общих принципов, которые лежат в основе законов природы, таких, как причинность, свойства симметрии, законы сохранения... Квантовая механика обобщила понимание причинности классической физики: теория относительности основывается на симметрии пространства-времени; теория элементарных частиц покоится на «внутренней» симметрии явлений.

Итак, теоретическая физика намечает пути к пониманию единства, симметрии и динамики явлений природы, т. е. пути к пониманию красоты Вселенной.

Однако любые теоретические построения делаются научной истиной, только если они подтверждаются экспериментом и дальнейшим развитием теории. Подтверждение или опровержение теоретических предсказаний на опыте входит в задачу экспериментальной физики.

Молодой человек, интересующийся физикой, должен как можно раньше решить для себя, какую из двух профессий — теоретическую или экспериментальную — он выбирает.