Перевод первой части книги (Механика), как презентация будущего учебного пособия для гуманитарных специальностей ГУКиТ, выполнен по гранту ректора ГУКиТ А.А.Белоусова в 2010 году.

Р. Марч

 

 

Физика для поэтов

 

 

Ч.1 Механика

 

 

(перевод с английского)

 

 

СПб

 

 

Марч Роберт

Физика для поэтов /Пер. с англ. Ю.К. Устинова и Н.Н. Скворцова

 

Учебное пособие «Физика для поэтов» соответствует современным тенденциям образования и специфической образовательной структуре СПбГУКиТ (сосуществованию гуманитарных, естественнонаучных и технических кафедр университета). Это полезное пособие по курсу физики способно в доступной форме поддержать мотивацию студентов к изучению дисциплины, лежащей в основе современной НКМ. Редкое сочетание фундаментального содержания и доступной формы делает пособие полезным любому. Такой книги в России нет.

 

 

Перевод первой части книги (Механика), как презентация будущего учебного пособия для гуманитарных специальностей ГУКиТ, выполнен по гранту ректора ГУКиТ А.А.Белоусова в 2010 году.

 

 

© Перевод, Ю.К. Устинов,

Н.Н. Скворцов, 2010

Предисловие переводчиков книги «Физика для поэтов»

 

Книги авторитетных английских писателей Ч.Сноу «Две культуры» (1959г.) и О.Хаксли «Литература и наука» (1968г.) обозначили неизбежность разрыва между гуманитарной и технической культурами человечества. «Для литературы информационное содержание наук не может быть непосредственно полезным. Достижения атомной физики не имеют значения для интерпретации нашей жизни…Физик обитает в мире измеряемых законов, а не в мире переживаний неповторимых событий…Должен появиться поэт, который объяснит нам, как должны поэтически зазвучать слишком точные слова учебников, чтобы согласовать наши никем не разделяемые переживания с научными гипотезами, которые их объясняют» (Олдос Хаксли).

Автор предлагаемой в переводе книги «Физика для поэтов» Роберт Марч иллюстрирует отношение поэтов к науке шокирующим «поэтическим» эпиграфом (верлибром):

И я в лабораторию пошёл. А там сидели такие маленькие,

правильные люди, привязанные лишь к своим расчётам.

Вопросов ни о чём не задавали, лишь кликали, жужукали,

шуршали, подобные компьютерам своим.

Подвластна им была микросекунда.

 

И был там ад, стеклянный, светлый, дымный.

И в нём была безгрешная частица, то Септик был,

в раздумья погружённый, в спокойной и покорнейшей из поз.

Но уходя, я всё-таки заметил в одной из линз, в её увеличеньи,

огромный глаз ужаснейшего монстра, на выкате из бледного лица.

(Джон Сиарди, фрагмент. Satuday Review, April 30, 1966)

(Перевод О.А. Ливеровской).

Негативное отношение к точным наукам и высоким технологиям является общим для большинства гуманитариев. На полвека раньше символист Валерий Брюсов писал:

«Я залы посещал ученых заседаний

И слушал с ужасом размерность их речей.

Казалось мне: влекут кумир огромный знаний

Покорные быки под щелканье бичей...

...Однажды ошибясь при выборе дороги,

Шли вдаль ученые, глядя на свой компас.

И был их труд велик, шаги их были строги,

Но уводил их прочь от цели каждый шаг».

 

Образный язык обеих «поэм», свойственный иррациональному поэтическому мышлению, принципиально отличается от рационального понятийного языка науки, на котором только и можно говорить о физике.

Сегодня индустриально развитые социальные системы должны осознанно управлять взаимопроникновением научно-технического прогресса и жизненной практики населения. Сближение естественных и гуманитарных наук можно ожидать лишь от развития диалогового мышления в обществе. «Спасительную силу социального диалога невозможно заменить простым распространением научно-технического знания» (Юрген Хабермас «Наука и техника как идеология»). Адаптация физического знания к гуманитарному мышлению, которую предпринял Р.Марч в своей книге, работает в русле именно такого диалога.

В последние десятилетия, когда расхождение научно-технической и гуманитарной культур достигло особой силы, появились новые и неожиданные тенденции «гуманизации науки». Пытаясь понять, что такое наука, ученые столкнулись с феноменом, к которому неприменим естественно-научный подход, и Ученый открыл необходимую для себя сферу гуманитарного знания. Это проявилось, в частности, во взрыве интереса к методологии науки (никогда ранее столько профессиональных естественников не обращались к профессиональному занятию философией и историей науки). Такая саморефлексия науки – показатель ее зрелости.

Причина такой «гуманизации» науки парадоксальна, – она в грандиозных успехах самих «точных» наук, математической логики и электронной техники, попросту – в компьютеризации. – Когда наступает возможность вычислительную часть, а затем и более сложные логические операции передать машине, огромная роль внелогических, интуитивных и творческих этапов мышления обнаруживается с впечатляющей силой. Это происходило на протяжении нескольких последних десятилетий и придало процессу характер интеллектуальной революции. В этом состоит объективная причина того, что сегодня гуманитарное знание, насыщенное внелогическими суждениями начинает приобретать все большую привлекательность и для естествоиспытателей и для представителей математизированного знания и техники.

Если промышленная революция 18-19 веков освободила человека от изнурительного, стандартного и грубого физического труда, то вторая половина 20 века окончательно избавила человека от монотонного, стандартизированного, изнурительного и «грубого» умственного труда.

Конечно, в будущем не произойдет слияние наук в какое-то «гуманитарное естествознание», но антагонистическое противопоставление «физики и лирики» должно и будет ослабляться, а взаимопонимание и взаимоуважение – укрепляться.

 

Книга «Физика для поэтов» соответствует современным тенденциям высшего образования и специфической образовательной структуре СПбГУКиТ (симбиотическому сосуществованию гуманитарных, естественнонаучных и технических кафедр). Она явится полезным учебным пособием по курсу физики, дополняя электронные конспекты лекций на ФАВТ, ФПСКТ и ФФТРМ, способна в доступной форме, исключающей математические выкладки и формулы, поддержать мотивацию студентов к изучению физики, как основы современной научной картины мира.

Книга Р.Марча, как учебное пособие, дополнит также курсы «Философия и методология науки», «Методология научного творчества» и «Концепции современного естествознания» (ФЭИ, ФМК и ЭФ). Мастера экранных искусств уже по роду своей деятельности используют достижения высоких технологий, основанных на фундаментальных физических законах. Скажем больше, редкое сочетание фундаментального содержания и доступной формы делает книгу полезной любому студенту и преподавателю ГУКиТ. Подобной книги в России нет.

Настоящая работа переводчиков, Ю.К.Устинова и Н.Н.Скворцова, является презентацией будущего учебного пособия, которая ознакомит читателя с полезным иностранным учебником в качественном переводе. Переведена одна треть книги Р.Марча, посвящённая классической физике, мы называем её «Механика». Две другие части «Теория относительности» и «Квантовая теория» представляют современную неклассическую физику.

 

Предисловие автора книги

 

Читатели и преподаватели, знакомые с первым изданием этой книги, увидят в настоящей версии много изменений и более 30% нового материала. Цель этого издания – сделать книгу менее сухой, философской и математической и более интуитивной, историчной и физичной. Вдобавок рассмотрение эры модерна было доведено до настоящего времени с помощью глав по общей теории относительности и кварковой модели. Для этого пришлось опустить несколько тем классической физики. Новый подход связан отчасти с возрастанием моего собственного педагогического опыта и более зрелой точкой зрения на предмет, отчасти же – с новыми удивительными открытиями в физике, способными заинтересовать неспециалистов.

Серьезным недостатком первого издания является, по моему мнению, большое количество математики в тексте и, особенно, в приложениях, которое создавало иллюзию возможности использования компьютера. Однако использование компьютерных навыков никогда не ставилось главной целью курса. В новом издании математика сильно урезана.

Преподаватели, предполагающие использовать эту книгу, должны быть предупреждены, что они должны оставить общий и никоим образом не удостоверенный (не проверенный) предрассудок, что математическое решение проблемы является гарантией ее физического понимания. Курс, на котором базируется данный текст, никогда не функционировал на этой основе и по мере его развития удалялся от нее все дальше. Я хотел бы поблагодарить Центр линейного ускорителя в Стэнфорде за гостеприимство во время подготовки этой книги. Сердечные благодарности и неуклюжие извинения предназначаются моим коллегам по проекту Iron Ball (железная пуля) за терпимость к моей рассеянности, безответственности и некоммуникабельности при написании.

 

Введение

 

Книга посвящается физике для поэтов. Поэтому она могла бы открываться поэмой, свидетельствующей об актуальности книги с названием «Физика для поэтов». Эта книга не будет пытаться доказать, что физики такие же, как все. Физики, как и поэты, не обычные люди. Любой человек, занятый делом, требующим интеллекта и эмоций, вполне естественно, должен быть немного странным.

Как и многие поэты, физик должен чувствовать, что он ищет «истину». Конечно, он определяет истину с помощью собственного набора правил и не задумывается, что это за правила (до тех пор пока не состарится, и тогда хорошие физики превращаются в плохих философов). Поэтому так же как поэт он может удивиться, услышав, что некоторые из этих правил связаны с красотой. Идея должна быть более чем правильной,– она должна быть красивой и привлекательной, – чтобы сильно возбудить мир физики.

Креативность в любой области имеет и эмоциональное измерение. Это может показаться странным, если вспомнить о том, что обычно понимают под научной объективностью. Но по этим правилам оценивается только окончательная идея. Путь, на котором идея возникает, обычно прямо противоположен объективности. Но если идея поражает аудиторию красотой, в нее, по всей вероятности, поверят, даже при отсутствии подтверждающих свидетельств, и будут упорно цепляться за нее, пока доводы против не станут сокрушительными. Создатель абстрактной научной идеи должен быть так же оригинален, как и любой художник.

В современную эпоху особое значение придается научному образованию и становится клише называть научное исследование великим приключением. Очень может быть. Но студента, приступающего к своему первому серьезному научному курсу с этой мыслью в уме, ожидает серьезный шок. Чувство захватывающего приключения редко появляется во время серьезной работы, т.к. обязанности подчиненного часто оказываются и трудными и скучными. Студенту, нацеленному на научную карьеру, обычно говорят, что он должен быть готов к многолетнему и старательному обучению, прежде чем он сможет понять что-то действительно глубокое. Но хотелось бы знать, сколько людей смогло бы полюбить музыку, если бы требовалось хорошо овладеть игрой на фортепиано прежде, чем тебе разрешат послушать, например, сонаты Бетховена. Конечно, концертирующий пианист наслаждается сонатами на уровне, недоступном для других. Но достаточно впечатлительный человек с абсолютно нетренированными пальцами тоже может оценить красоту сонат. И аналогия с музыкой не так уж далека от реальности, как может показаться. Продолжая ее, эта книга даст вам немного послушать Баха и потом понять, как вы разберетесь с Шёнбергом, Бартоком и Шостаковичем. Конечно, мы должны будем от чего-то отказаться. Эта книга отказывается от цельности представления о физике. Многое из того, что физики традиционно считают важным и интересным, получает лишь упоминание или опускается вообще. Теплота, звук, оптика – главные жертвы. Вместо этого мы концентрируемся на классической механике, теории относительности и квантовой механике.

Физика видела два периода своего быстрого изменения. И хотя словом «революция» много злоупотребляли, оно является здесь все-таки подходящим. Первая физическая революция заняла почти весь 17 век и была настолько полной, что практически ничто до нее нельзя считать физикой, по современным понятиям. Вторая революция захватила первые три декады 20 века, и конца ее мы еще не видим. Принято связывать начало первой революции с Галилео, а ее кульминацию с Ньютоном (несправедливо забывая многих достойных предшественников и современников этих двух героев). Эта революция создала классическую механику, по-видимому, самую успешную научную теорию всех времен. За два века эта теория смела перед собой всё, давая механические объяснения одному явлению за другим. В конце 19 столетия она, казалось, подошла к поглощению оптики, электромагнетизма и к достижению окончательного объединения всей физики. Действительно, для многих ученых того времени, она, казалось, уже сделала это, за исключением некоторых малых деталей. Но на этих малых, как казалось тогда, деталях она и потерпела поражение, поражение катастрофическое. Триумф ньютоновской механики имел широкое влияние. Оставляя в стороне легион забытых теологов 19 века, которые стали считать Создателя неким искусным часовщиком, мы обнаруживаем ряд интеллектуальных тенденций, которые проявились в ответ на успех механики. Для многих философов 19 века и даже для некоторых более влиятельных политических мыслителей физика стала образцом, к которому должна стремиться любая интеллектуально респектабельная теория. Механика Ньютона была во многих отношениях уникальной, другой столь же универсальной научной теории не было никогда ни в физике, ни где-либо еще. Ньютоновская механика почти пережила вторую революцию, ибо наиболее важные концепции Ньютона остаются частью языка современной физики. Но классическая механика выжила только в бальзамированном состоянии, т.к. теперь мы знаем, что она не может более мечтать об универсальности. Ее верховная власть ограничена областью, которую физика миновала и ринулась в новых направлениях. Вторая революция внесла смуту, потому что двинулась в двух новых направлениях: теории относительности и квантовой механики. Первое в большой степени было результатом деятельности одного человека, Альберта Эйнштейна. Второе выросло из вкладов многих мыслителей (включая Альберта Эйнштейна). Теория относительности в популярном изложении эксцентрична и непонятна, но квантовая механика – это то же самое, но в еще большей степени. Обе теории создавались, по крайней мере, отчасти, в одном и том же духе критической переоценки процесса, с помощью которого физик в настоящее время наблюдает мир, в котом он живет.

Обе теории имеют дело, главным образом, с явлениями, которые лежат вне области обычного эксперимента. Отчасти поэтому они так трудны в преподавании: сами явления происходят за пределами нашего ежедневного опыта. Обе теории содержат поразительные концепции, которые кажутся абсурдными или парадоксальными, т.к. они противоречат базовым интуитивным ощущениям пространства и времени, причины и следствия. Областью квантовой теории является очень малое, а относительность имеет дело с очень большим или очень быстрым. Там, где они соприкасаются (в очень малом и очень быстром мире элементарных частиц), они не очень ладят друг с другом. Попытки комбинировать их напоминают брак по принуждению, и все еще не ясно, обречен этот брак, или он просто медленно приходит в порядок. В этом смысле революция не завершена и есть ощущение, что эти теории нужно или согласовывать, или заменять. Трудность обучения этим новым идеям, в особенности идеям квантовой механики, частично объясняется особенностями пути, которыми они развивались. Не раз в течение 20 столетия повторялась замечательная модель открытия: счастливая догадка, основанная на шатких аргументах и абсурдных предположениях ad hoc, давала формулу, которая оказывалась правильной, хотя сначала вообще никто не мог объяснить, почему это должно быть. Постепенно физики приходили к более или менее удовлетворительной интерпретации этих новых идей (по крайней мере, удовлетворяющей физика). Они могли еще чувствовать дискомфорт, но формулы тем временем выдавали эксцентричные предсказания, которые оказывались правильными, и было очень трудно оспаривать успех такого рода. А объяснение, достаточно ясное, чтобы удовлетворить непрофессионала, может складываться в течение многих лет после самого открытия. Многие из этих идей еще просто не имели времени, чтобы потерять свою причудливость, а физики, также как современные художники, не желают тратить много усилий на объяснение своих работ людям, которые кажутся им наивными обывателям. Подобно художнику, креативный ученый предпочитает считать, что его работа говорит сама за себя.

 

 

Содержание

Предисловие................................................... Введение...................................................... Глава 1. Падение тел и рождение механики. Первый современный физик. – Галилео побеждает Аристотеля. – Математический язык движения. – Решающий тест. – Ошибался ли Аристотель?................................ Глава 2. По направлению к механической науке. Метательный снаряд движется по параболе.– Декарт, Гюйгенс и сохранение момента.– Удивительный результат: центр масс не движется............................................ Глава 3. Прояснение смысла: законы Ньютона. Решающий довод. – Круговое движение. – Падение тел в ньютоновской схеме. – Культ Ньютона..................... Глава 4. Луна падает. Законы всемирного тяготения. – Грязный пес и человек с золотым носом. – Две великие космологии. – Соперники. – Диаграмма движения планет Кеплера. – Ньютон использует законы. – Луна – это связь. – «Гипотез не изобретаю»......... Глава 5. Романс энергии. Как мы платим за силу? – Работа и кинетическая энергия. – Что такое Ватт. – Множество лиц энергии. – Можем ли мы вернуть наши деньги? – Энергия и атомы. – Энергия связи. – Звезды, планеты и жизнь......................................... Глава 6. Завершение работы: классическая картина физического мира. Электричество и магнетизм. – Фарадей и концепция поля. – Почти окончательное объединение. – Эпилог: кошмар детерминизма........................................... Глава 7. Волны. Движущееся возмущение. – Суперпозиция. – Повторенные волны. – Водяные волны и им подобные. – Как было показано, что свет – волна? – Что за волна является светом?............ Глава 8. Начала Теории Относительности или же “Какова длина движущегося поезда?”. – Постулаты Теории Относительности.–Корабли, встречающиеся во мраке далекого космоса. – “Резиновый” трамвай. – О взаимности чувств и наблюдений. – Парадокс гаража...........................