«Фізика очима фізика» (Видавництво МЦНМВ) - збірник статей, що вийшов окремим виданням у двох частинах, опублікованих у журналі «Квант» у 1970-2014 роках Мойсеєм Ісааковичем Кагановим, фізиком-теоретиком, фахівцем у галузі квантової теорії твердого тіла. Книга адресована в першу чергу тим молодим людям, які готуються стати вченими. Саме для них Мойсей Каганов свого часу написав «Листа про фізику», який ми представляємо нашим читачам.
Офіційне визначення фізики таке: «Наука, що вивчає найпростіші і разом з тим найбільш загальні закономірності явищ природи, властивості і будова матерії та закони її руху» (БСЕ, т. 27, с. 337). Звичайно, щоб наповнити це визначення конкретним змістом, треба доповнити його, вказавши, що означає «найпростіші і разом з тим найбільш загальні закономірності» явища, та й непогано б пояснити, що рухається, адже матерія - поняття таке всеосяжне...
Фізика сприймається всіма (і самими фізиками, і вченими інших спеціальностей) як фундаментальна наука, що лежить в основі всіх інших природничо-наукових дисциплін. (Прекрасний зразок жартівливого визначення фізики дав Дж. Орір: «Фізика - це те, чим займаються фізики». Якщо вдуматися, це - змістовне твердження...) А її конкретний зміст залежить від рівня наших знань. Сьогодні об'єктами дослідницької діяльності, яку прийнято відносити до фізики, є і найдрібніші частинки речовини (аж до кварків), і конденсовані тіла, і віддалені від нас на тисячі світлових років таємничі квазари, і - найдивовижніше - Світ в цілому, в його розвитку від моменту Великого вибуху до сучасності; фізика вивчає і об'єкти, які на сьогоднішній день вона передбачає безструктурними (електрони, мюони, нейтрино...), і найбільш складно організовану матерію - мозок, в діяльності якого саме фізики виявили багато не відомих біологам фактів, а головне, привнесли в дослідження свої специфічні фізичні методи...
Саме різноманітність об'єктів дослідження призвело до фактичного поділу фізики на порівняно роз'єднані науки, кожна з яких має набір основних уявлень і моделей, свій, іноді дуже витончений, математичний апарат, свої апробовані практикою експериментальні методики. І все ж, при всьому різноманітті об'єктів дослідження, всіх фізиків можна розділити на два класи (загону, сімейства - застосовано будь-яке з подібних слів): фізиків-теоретиків і фізиків-експериментаторів.
Що роблять фізики-експериментатори, напевно, більш-менш зрозуміло. Але цей лист - про фізиків-теоретиків.
Фізики-теоретики вивчають Природу за допомогою математичних методів дослідження. Ейнштейн вважав найбільшою загадкою те, що математика - створення людського розуму - застосовна при описі явищ Природи. Не заглиблюючись у роздуми над цією загадкою, приймемо як загальновідомий факт: фізичні явища можуть бути описані математичними рівняннями, рішення яких мають передбачливу силу. Ось що це означає. Неможливо наперед вивести всі математичні співвідношення, які можуть знадобитися при описі фізичних явищ. Фізики-теоретики (в даному випадку мова йде про генії) формулюють основні рівняння, причому вони формулюються в настільки загальній формі, що застосовні практично в нескінченній кількості випадків. У процесі осягнення законів природи основні рівняння змінювалися. Формулювання нових рівнянь відкриває нову епоху у фізиці. Сучасна фізика почалася (в XVII столітті) з формулювання Ньютоном основних рівнянь механіки. У XIX столітті Максвелл сформулював рівняння електромагнетизму. Простежуючи шлях основних рівнянь, треба назвати імена А.Ейнштейна, Н.Бора, Е.Шредінгера, В.Гейзенберга і П.А.М.Дірака. Ейнштейн сформулював рівняння механіки, що дозволяють досліджувати рухи зі швидкостями, близькими до швидкості світла, і побудував теорію гравітації. Бор, Шредінгер, Гейзенберг і Дірак створили квантову (або хвильову) механіку.
(Щоб підкреслити важливість відкриття нових рівнянь, наведемо цитату з курсу лекцій чудового фізика-теоретика і чудового педагога Р. Фейнмана: "В історії людства (якщо подивитися на неї, скажімо, через десять тисяч років) найзначнішою подією XIX століття, безсумнівно, буде відкриття Максвеллом законів електродинаміки. На тлі цього важливого наукового відкриття громадянська війна в Америці в тому ж десятилітті буде виглядати дрібною провінційною подією ". («Фейнманівські лекції з фізики», том 5.)
Відкриття, формулювання нових рівнянь не вичерпує діяльності фізика-теоретика. Більше того, переважна більшість фізиків не претендує на перегляд існуючих основних рівнянь (читай: основних подань), а задовольняється вирішенням завдань на основі цих рівнянь. Дієслово «задовольнятися» не несе на собі якогось зневажливого сенсу.
Завдання в теоретичній фізиці виникають двома способами.
Перший спосіб. Експеримент виявляє щось таке, що називають новим явищем або властивістю. Вибір слова (явище, властивість) залежить від відчуття важливості виявленого. Іноді експериментатор, добре розуміючи природу виявленого явища, самостійно дає повну інтерпретацію того, що він виявив. Але частіше, навіть знаючи в загальних рисах, ніж обумовлено відкрите ним явище, він не може, використовуючи відомі рівняння (уявлення), обчислити необхідні для пояснення величини і/або співвідношення. Обчислення вимагають фахівця - фізика-теоретика. Можливо, навіть при детальному і докладному вивченні відкритого явища його природа не стає яснішою. З'ясування природи явища, тобто з'ясування, якими з основних рівнянь фізики має користуватися для пояснення, - одне з найважливіших завдань, вирішуваних фізиками-теоретиками. Буває, що від виникнення завдання до її вирішення минає багато років, причому експеримент весь цей час додає нові відомості про відкрите явище, а теорія, розвиваючись, прихованим чином готує себе до вирішення завдання. Надпровідність була відкрита в 1911 році, а отримала пояснення в 1956. Сорок п'ять років знадобилося для з'ясування природи цього дивовижного явища. Причому пояснення не торкнулося основних рівнянь фізики. Воно було знайдено в межах існуючих подань.
Другий спосіб. Логіка розвитку будь-якої галузі фізики підказує можливість розрахунку явища або властивості, які раніше або не піддавалися розрахунку, або не представляли інтересу (перебували поза полем зору фізиків). Особливе місце серед цих завдань займають завдання, вирішення яких удосконалюють математичний апарат теорії. Взагалі між математикою і теоретичною фізикою існує непростий зв'язок. У багатьох випадках фізик-теоретик використовує готовий математичний апарат, виявивши попередньо, що сформульоване ним завдання належить класу завдань, вивчених математиками. Але нерідко фізик-теоретик, сформулювавши, як йому видається, строго і повно фізичну задачу, виявляє, що математики подібних завдань не вирішували зовсім або їм (математикам) відома тільки принципова дозвільність подібних завдань, а не метод отримання рішення. Тоді за створення методу доводиться прийматися фізику-теоретику... При такому (як у цьому листі) абстрактному викладі все виглядає занадто «розкладеним по поличках». Насправді найчастіше ситуація проміжна: у математиці, начебто, є потрібний метод, але він трохи не підходить, його потрібно трохи вдосконалити. А невелике удосконалення обертається складною, що вимагає великої напруги розуму роботою.
Найчастіше перші свої роботи майбутні фізики-теоретики роблять під керівництвом. Досвідчений фізик-теоретик завжди має «на прикметі» або конкретні завдання, які, як йому здається, слід вирішити, або область фізики, познайомившись з якою, молодий фізик-теоретик зможе знайти собі посильне завдання. У цій фразі важливо відзначити слова «посильне завдання». Хороший педагог завжди уявляє собі, якої складності завдання можна дати учневі... Я добре пам'ятаю той свій стан (наприкінці навчання в Університеті), коли всі завдання, здавалося, діляться на два класи: вирішені і невирішувані. І досі вдячний своїм вчителям, за допомогою яких зрозумів, що з невирішених завдань може бути виділений підклас вирішуваних завдань.
Звичайно, робота фізика-теоретика полягає у вирішенні завдань, тобто в отриманні відповіді, результату. Але радість приносить не тільки результат - підсумок роботи. Сам процес вирішення, подолання труднощів, що виникають під час вирішення, обхід їх, знайомство з новими методами, оволодіння ними - все це приносить радість...
Хочеться застерегти майбутнього фізика-теоретика. Один мій друг - дуже досвідчений і талановитий фізик-теоретик - сказав, що головна якість, якою повинен володіти фізик-теоретик, - оптимізм, віра в те, що відповідь отримати вдасться. У процесі роботи ця віра гранично конкретизується. Треба сподіватися: все, що треба, взаємно знищиться при приведенні подібних членів, паразитичні особливості скоротяться і т. д., і т. п. Але (і в цьому - попередження!) не можна приймати бажане за дійсне: не можна заздалегідь відкидати доданки, тому що вони повинні взаємно знищитися, скорочувати паразитичні особливості і взагалі дозволяти собі діяти не так, як на звичайній контрольній або при вирішенні завдань із задачника. Треба з перших самостійних робіт виховувати в собі граничний критицизм. Автор - найсуворіший критик своєї роботи. Треба завжди пам'ятати: отримуючи новий результат, необхідно знайти впевненість у його правильності. Відсутність готової (як у задачнику) відповіді змушує створювати спеціальні методи перевірки отриманого результату.