Приступая к повествованию, автор поставил перед собой цель показать читателю основные свойства того мира, в котором мы живем. Слово «показать» здесь означает — сделать очевидным, проиллюстрировать простыми, наглядными примерами. Среди основных свойств мира, которые имелись в виду, прежде всего стоит реальность, материальность, единство мира и непреложный факт его познаваемости. Поэтому в качестве проводника избрана физика.
Автор хотел провести читателя по крутой спирали, соединяющей примитивные познания древних с наиболее современными знаниями наших дней, не скрывая того, что временами подъем витков спирали уменьшался, отражая застои в развитии науки.
Единство мира приводит к тому, что одни и те же факты играют роль при построении различных теорий, порой весьма далеких одна от другой. Это единство зачастую находит отражение в единстве математических уравнений и формул, описывающих весьма различные процессы, например, распространение радиоволн и нервных импульсов, работу генератора радиоволн и человеческого сердца. Наконец, это единство выражается в форме чрезвычайно общих принципов и теорий, а кульминационным пунктом здесь является высшая цель — построение единой теории, объединяющей все. Конечно, для объяснения конкретных свойств мира и конкретных процессов из этой всеобщей теории, по необходимости, выделяются упрощенные или приближенные частные случаи.
Два обстоятельства (во-первых, то, что эта книга ни в коем случае не может играть роль учебника, а поэтому не требует от читателя запоминания всего прочитанного, и, во-вторых, сам факт единства мира) привели к тому, что в тексте иногда встречаются напоминания об изложенном в предыдущих главах. Напоминания, дополняющие уже известное новыми деталями или подчеркивающие нужное для дальнейшего.
Автор считает крайне важным помочь читателю прочувствовать не только единство природы, но и единство науки. Ибо наука есть отражение природы в голове человека, а если природа едина, то должна быть единой и наука. Конечно, наука распадается на различные конкретные дисциплины: единую природу можно и нужно рассматривать со многих сторон, с различных точек зрения. Но все эти конкретные науки неразрывно связаны единством объекта исследования, единством природы.
В этой книге речь шла о мысленных экспериментах, математических моделях и физических теориях. Мы познакомились с взаимоотношениями, сложившимися в простои и короткой цепочке: опыт — теория — опыт.
Здесь не написано ни одной математической формулы. Но это лишь видимость. По существу, речь шла именно о математических формулах, так как и математические модели, и физические теории могут быть описаны полностью только при помощи математических уравнений. Только их решение дает возможность испытывать сложные машины, например самолеты, до того, как они изготовлены, позволяет доказать непротиворечивость теории и извлекать из теории предсказания, подлежащие проверке новыми опытами.
Во многих случаях физические теории приводят к очень простым математическим моделям, выражаемым чрезвычайно короткими и простыми на вид математическими формулами. Такая ситуация возникает, например, при изучении течения жидкостей или циркуляции атмосферы.
Не зная способов точного решения, математика прибегает к приближенным решениям при помощи ЭВМ. Но это от слабости. Машинное решение хорошо для проверки гипотезы, для анализа частных случаев, для расчета конструкций, идеи которых возникли на основе интуиции. На большее не способны даже самые совершенные современные ЭВМ. Они не обладают интуицией, присущей людям. Поэтому математики разрабатывают и другие методы качественного анализа уравнений. Эти методы позволяют выявить физическое содержание явления, заложенного в уравнение, и делать предсказания без решения уравнений. Это увлекательный путь. Он пролегает по целине, где намечены лишь отдельные, идущие еще не очень далеко и почти не соприкасающиеся тропы. Многие видят в этом направлении математику будущего, а с ней новый расцвет и быстрый прогресс наук о природе и новую техническую революцию.
Одна из наиболее разведанных троп имеет в основе изучение свойств кривых линий или поверхностей, непосредственно связанных с самими уравнениями. Причем анализ свойств кривых и поверхностей позволяет судить о свойствах решений, несмотря на то, что они не получены.
Не следует думать, что здесь скрыта какая-то невообразимая мистика. Просто таковы новые, еще не покрытые асфальтом и не доведенные до конца пути развития науки. Они уже дают первые результаты.
Кое-что описанное в этой книге получено учеными, смело пошедшими этими новыми путями.
Эти замечания имеют две цели. Первая — подчеркнуть значение математики в современной науке и технике, которая незримо играла свою роль за сценой в описании всех проблем, затронутых в этой книге. Вторая — привлечь интерес читателя к математике, к этой древнейшей науке, находящейся сейчас на пороге нового развития, привлекающей смелых и любознательных своей почти не тронутой целиной.
Еще одна мысль, которую хотелось бы подчеркнуть: читателю важно почувствовать универсальность метода познания, который на протяжении веков выработался в области естественных наук. Этот метод нам знаком: от принципов к математической модели, к предсказанию новых явлений и их экспериментальному исследованию. Выработанный в процессе познания природы, этот метод стал актуальным в наше время также в технике и других отраслях народного хозяйства. В наш век, в эпоху научно-технической революции, он выходит далеко за пределы фундаментальных исследований.
При проведении технической разработки, проектировании завода или скотоводческой фермы этот метод лишь немного изменил свое конкретное содержание. В этом случае «принципами» служат данные науки, на их основе составляется математическая модель, ее исследование (обычно при помощи ЭВМ) служит основой проекта, реализация, освоение и использование которого выполняют в данном случае роль, которую в науке отводят эксперименту. И здесь опыт является высшим судьей, проверяющим правильность «принципов» — научных основ разработки.
Не следует забывать, что книга, которую вы прочли, не ставит своей целью научить физике — это под силу лишь систематическому курсу, излагающему предмет от «а» до «я». Не ставит она целью и дать исчерпывающую информацию о современном положении дел в науке о природе. Нет, цель гораздо скромнее. Она заключается в желании автора показать человеку школьного возраста, знающему предмет в объеме старших классов, соотношение между теорией, опытом и наблюдением на примере тем, затронутых в книге. Показать, что в истории человеческой мысли практически нет ненужных усилий, непригодившихся теорий, неоправдавших себя гипотез. Мыслительная работа не исчезает бесследно, она может лишь перейти в другую форму — в энергию знания.
Даже гипотезы, противником которых был Ньютон, играли определенную роль в истории, если их создавали не невежды, а образованные люди, обладающие солидным багажом знаний. Эти гипотезы отражали определенный подход к явлениям. Каждая гипотеза, или теория, или наблюдение, или мысленные эксперименты, даже если они оказывались ошибочными, дали свои плоды. Либо отмели сомнение, либо дали право вывесить у одного из перекрестков науки указатель «тупик», «хода нет». Либо послужили трамплином для нового взлета мысли.
Цель книги и в том, чтобы проиллюстрировать, что достижения мысли взаимосвязаны. Пусть какое-то открытие оценено не сразу, не тотчас нашло себе место в мозаике единой картины мира, но настанет момент, и другой художник, рисующий более точную панораму Вселенной, может почувствовать острую нужду именно в этом, долго бывшем в бездействии, открытии…
Многие прозрения рождаются раньше, чем в них появилась потребность. Пример: Эйнштейн отказался от важной мысли, многообещающей теории потому, что в ней проявился элемент природы — положительный электрон, который в те времена не был известен. Дирак — уже после Эйнштейна — натолкнулся в своих уравнениях на ту же частицу, тоже недоумевал, терзался, мучился, был не в силах совладать с этим сюрпризом. Но наука за прошедшее время проделала больший путь, и навстречу теоретикам вышли экспериментаторы. Проходка «туннеля» с обоих концов привела к тому, что поиски встретились. Аюди узнали об античастицах, антиматерии и о том, почему нет антимира…
Задача книги и в том, чтобы показать преемственность поколений, научных школ. Линия эфира идет от Аристотеля, теряется в болоте невежества средневековья, вновь возникает у Гюйгенса, Френеля, Лоренца. Эфир утрачивает право голоса в бессилии перед аргументацией теории относительности. И вдруг, словно птица Феникс, возрождается в наши дни интуитивными соображениями Эйнштейна, а затем трудами далеких от проблем теоретической физики радиоинженеров Пензиаса и Вилсона, которые никогда не думали о загадке рождения Вселенной, но объективной логикой развития науки были подведены к этой созревшей теме. Не подозревая последствий, они приступили к исследованию радиошумов космоса, а обнаружили… то, в чем другие ученые опознали новый эфир.
Смысл книги и в том, чтобы продемонстрировать, как в науке идет постоянная переоценка ценностей. Постоянное сравнение точек зрения, переплетение разных достижений, взглядов. Безжалостный отсев ложных шагов… Напряженный поиск объективных методов познания…
Эта книга — не жизнеописание людей, скорее, описание идей, но судьба идей — отражение судеб людей. Творцы открытий— люди. Виновники ошибок — люди. На арене науки сражаются, соревнуются, отстаивают свою правоту идеи, теории, гипотезы, созданные людьми. Все, что мы узнали из этой книги, — плоды раздумий отдельных людей, но это достояние всего человечества.
Горько вспоминать о несправедливостях, выпавших на долю многих гениев — Галилея, Ньютона, Эйнштейна… Эйнштейн был гражданином Германии, он сделал все, что может сделать человек, чтобы стать гордостью своей страны. Но была такая страница в ее истории, когда нацисты предали культуру своей отчизны, когда они уничтожали то, чем могла и должна была гордиться нация. Они объявили Эйнштейна преступником, и его книги пылали в кострах новой инквизиции вместе с трудами Маркса и Ленина, книгами Манна, Гейне и других прогрессивных ученых и писателей.
Об Эйнштейне написано много. Его биография хорошо известна — из книги в книгу передается легенда его жизни. Он был не очень-то счастлив. Ему мало досталось из того, что более всего нужно человеку, — понимания. Понимания не было в сверстниках — в детстве Эйнштейн был не легким товарищем, необычным подростком, самоуглубленным, задумчивым, он мало играл в детские игры, много думал. Чтобы в шестнадцать лет разгадать поразительную тайну — невозможность увидеть световую волну остановившейся, — ему пришлось много передумать. И это были недетские думы. Не удивительно, что в четыре года он уже задумывался о тайне поведения магнитной стрелки, в двенадцать зачитывался Евклидом, позже его настольными книгами были научно-популярные произведения.
И в зрелости он не стал баловнем судьбы. Терпел фиаско за фиаско в обычных жизненных делах. И даже в годы величайшего триумфа долетало эхо слов, сказанных когда-то преподавателем немецкого языка: из вас, Эйнштейн, ничего путного не получится… И на вершине человеческих возможностей ему дарили больше любопытства, чем понимания. Как же одинок был этот человек, если на закате жизни, вспоминая в «Автобиографических записках» о том, как увлек его огромный мир, существующий независимо от нас, людей, стоящий перед нами как огромная вечная загадка, «доступная, однако… нашему восприятию и нашему разуму», он сделал горькое признание: «изучение этого мира манило как освобождение»…
Поэтому одна из целей этой книги — возможно, главная — призвать юных читателей быть внимательными друг к другу, доброжелательными. Надо помнить, что талант в человеческом обществе — непреходящая ценность, по сравнению с которой меркнет все золото мира. Талант — это общее достояние, это фундамент, залог процветания человечества.
Каждый человек наделен талантом — в той или иной степени, в той или иной области. Частица таланта заключена в каждом из нас…
Автор задумал эту книгу для того, чтобы молодой читатель насладился плодами, которые собрали для него наши предшественники и наши современники. И, восхитившись, понял, что ему, вступающему сегодня в самостоятельную жизнь, предстоят еще более значительные дела. Ведь каждое поколение знает больше, чем предыдущее. Сегодня мы знаем и умеем больше, чем те, кто жил вчера. Мы с еще большим основанием, чем Ньютон, можем сказать, что стоим на плечах гигантов.
История человеческой мысли убеждает нас в том, что обязательно — среди нас или ближайших наших потомков — непременно появится интеллект или интеллекты еще более могучие, чем те, которыми обладали наши великие предтечи. Молодые люди должны быть очень внимательными друг к другу. Они должны жить в ожидании Таланта. В уважении к Таланту.
Мы живем в отсвете великих свершений, в предчувствии грядущих, еще более великих достижений человечества. И мы должны быть их активными участниками.