«Письмо о физике»

«Физика глазами физика» (Издательство МЦНМО) — вышедший отдельным изданием в двух частях сборник статей, опубликованных в журнале «Квант» в 1970–2014 годах Моисеем Исааковичем Кагановым, физиком-теоретиком, специалистом в области квантовой теории твердого тела. Книга адресована в первую очередь тем молодым людям, которые готовятся стать учеными. Именно для них Моисей Каганов в свое время написал «Письмо о физике», которое мы представляем нашим читателям.

Официальное определение физики таково: «...Наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения» (БСЭ, т.27, с.337). Конечно, чтобы наполнить это определение конкретным содержанием, надо дополнить его, указав, что значит «простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности» явления, да и неплохо бы объяснить, что движется, ведь материя — понятие столь всеобъемлющее...

Физика воспринимается всеми (и самими физиками, и учеными других специальностей) как фундаментальная наука, лежащая в основе всех других естественно-научных дисциплин. (Прекрасный образец шуточного определения физики дал Дж.Орир: «Физика — это то, чем занимаются физики». Если вдуматься, это — содержательное утверждение...)  А ее конкретное содержание зависит от уровня наших знаний. Сегодня объектами исследовательской деятельности, которую принято относить к физике, являются и мельчайшие частицы вещества (вплоть до кварков), и конденсированные тела, и удаленные от нас на тысячи световых лет таинственные квазары, и — самое удивительное — Мир в целом, в его развитии от момента Большого взрыва до современности; физика изучает и объекты, которые на сегодняшний день она предполагает бесструктурными (электроны, мюоны, нейтрино...), и наиболее сложно организованную материю — мозг, в деятельности которого именно физики обнаружили много не известных биологам фактов, а главное, привнесли в исследование свои специфические физические методы...

Именно разнообразие объектов исследования привело к фактическому разделению физики на сравнительно разобщенные науки, каждая из которых имеет набор основных представлений и моделей, свой, иногда очень изощренный, математический аппарат, свои апробированные практикой экспериментальные методики. И все же, при всем многообразии объектов исследования, всех физиков можно разделить на два класса (отряда, семейства — применимо любое из подобных слов): физиков-теоретиков и физиков-экспериментаторов.

Что делают физики-экспериментаторы, наверное, более или менее понятно. Но это письмо — о физиках-теоретиках.

Физики-теоретики изучают Природу с помощью математических методов исследования. Эйнштейн считал величайшей загадкой то, что математика — создание человеческого ума — применима при описании явлений Природы. Не углубляясь в размышления над этой загадкой, примем как общеизвестный факт: физические явления могут быть описаны математическими уравнениями, решения которых имеют предсказательную силу. Вот что это значит. Невозможно наперед вывести все математические соотношения, которые могут понадобиться при описании физических явлений. Физики-теоретики (в данном случае речь идет о гениях) формулируют основные уравнения, причем они формулируются в столь общей форме, что применимы практически в бесконечном количестве случаев. В процессе постижения законов природы основные уравнения изменялись. Формулировка новых уравнений открывает новую эпоху в физике. Современная физика началась (в XVII веке) с формулировки Ньютоном основных уравнений механики. В XIX веке Максвелл сформулировал уравнения электромагнетизма. Прослеживая путь основных уравнений, надо назвать имена А.Эйнштейна, Н.Бора, Э.Шредингера, В.Гейзенберга и П.А.М.Дирака. Эйнштейн сформулировал уравнения механики, позволяющие исследовать движения со скоростями, близкими к скорости света, и построил теорию гравитации. Бор, Шредингер, Гейзенберг и Дирак создали квантовую (или волновую) механику.

Открытие, формулировка новых уравнений не исчерпывает деятельности физика-теоретика. Более того, подавляющее большинство физиков- теоретиков не претендует на пересмотр существующих основных уравнений (читай: основных представлений), а довольствуется решением задач на основе этих уравнений. Глагол «довольствоваться» не несет на себе какого-либо уничижительного смысла.

Задачи в теоретической физике возникают двумя способами.

Первый способ. Эксперимент обнаруживает нечто такое, что именуют новым явлением или свойством. Выбор слова (явление, свойство) зависит от ощущения важности обнаруженного. Иногда экспериментатор, хорошо понимая природу обнаруженного явления, самостоятельно дает полную интерпретацию того, что он обнаружил. Но чаще, даже зная в общих чертах, чем обусловлено открытое им явление, он не может, используя известные уравнения (представления), вычислить необходимые для объяснения величины и/или соотношения. Вычисления требуют специалиста — физика-теоретика. Возможно, что даже при детальном и подробном изучении открытого явления его природа не становится яснее. Выяснение природы явления, т.е. выяснение, какими из основных уравнений физики должно пользоваться для объяснения, — одна из важнейших задач, решаемых физиками-теоретиками. Бывает, что от возникновения задачи до ее решения проходит много лет, причем эксперимент все это время добавляет новые сведения об открытом явлении, а теория, развиваясь, скрытым образом подготавливает себя к решению задачи. Сверхпроводимость была открыта в 1911 году, а получила объяснение в 1956. Сорок пять лет понадобилось для выяснения природы этого удивительного явления. Причем объяснение не затронуло основных уравнений физики. Оно было найдено в пределах существовавших представлений.

Второй способ. Логика развития какой-либо области физики подсказывает возможность расчета явления или свойства, которые раньше либо не поддавались расчету, либо не представляли интереса (находились вне поля зрения физиков). Особое место среди этих задач занимают задачи, решения которых совершенствуют математический аппарат теории. Вообще между математикой и теоретической физикой существует непростая связь. Во многих случаях физик-теоретик использует готовый математический аппарат, обнаружив предварительно, что сформулированная им задача принадлежит классу задач, изученных математиками. Но нередко физик-теоретик, сформулировав, как ему представляется, строго и полно физическую задачу, обнаруживает, что математики подобных задач не решали вовсе или им (математикам) известна только принципиальная разрешимость подобных задач, а не метод получения решения. Тогда за создание метода приходится приниматься физику-теоретику... При таком (как в этом письме) абстрактном изложении все выглядит слишком «разложенным по полочкам». В действительности чаще всего ситуация промежуточная: в математике, вроде бы, есть нужный метод, но он чуть-чуть не подходит, его требуется немного усовершенствовать. А небольшое усовершенствование оборачивается сложной, требующей большого напряжения ума работой.

Чаще всего первые свои работы будущие физики-теоретики делают под руководством. Опытный физик-теоретик всегда имеет «на примете» либо конкретные задачи, которые, как ему кажется, следует решить, либо область физики, познакомившись с которой, молодой физик-теоретик сможет найти себе посильную задачу. В этой фразе важно отметить слова «посильная задача». Хороший педагог всегда представляет себе, какой сложности задачу можно дать ученику... Я хорошо помню то свое состояние (в конце обучения в Университете), когда все задачи, казалось, делятся на два класса: решенные и нерешаемые. И до сих пор благодарен своим учителям, с помощью которых понял, что из нерешенных задач может быть выделен подкласс решаемых задач.

Конечно, работа физика-теоретика состоит в решении задач, т.е. в получении ответа, результата. Но радость доставляет не только результат — итог работы. Сам процесс решения, преодоление возникающих во время решения трудностей, обход их, знакомство с новыми методами, овладение ими — все это доставляет радость...

Хочется предостеречь будущего физика-теоретика. Один мой друг — очень опытный и талантливый физик-теоретик — сказал, что главное качество, которым должен обладать физик-теоретик, — оптимизм, вера в то, что ответ получить удастся. В процессе работы эта вера предельно конкретизируется. Надо надеяться: все, что надо, взаимно уничтожится при приведении подобных членов, паразитические особенности сократятся и т.д., и т.п. Но (и в этом — предупреждение!) нельзя принимать желаемое за действительное: нельзя заранее отбрасывать слагаемые, потому что они должны взаимно уничтожиться, сокращать паразитические особенности и вообще разрешать себе действовать не так, как на обычной контрольной или при решении задач из задачника. Надо с первых самостоятельных работ воспитывать в себе предельный критицизм. Автор — самый строгий критик своей работы. Надо всегда помнить: получая новый результат, необходимо обрести уверенность в его правильности. Отсутствие готового (как в задачнике) ответа заставляет создавать специальные методы проверки полученного результата.