Физика
Физика изучает взаимодействия между физическими системами.
Физик пытается описать взаимодействие с помощью наиболее фундаментального и общего закона или принципа.
Например, Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell) свел всю классическую электромагнитную теорию к четырем простым уравнениям — Уравнения Максвелла.
С помощью этих отношений можно понять такие разнообразные явления, как генерация электроэнергии, магнит на холодильнике, удерживающий ваш список покупок, связь химических элементов и почему воздушный шар прилипает к потолку после того, как его потерли о ваш свитер.
Природа сложная и красивая.
Для физика эта красота обогащается, когда мы воспринимаем лежащую в основе простоту физических законов.
Достичь этого понимания очень сложно перед лицом сложных взаимодействий, происходящих вокруг нас каждый день.
Физик начинает с простейших систем, которые он может идентифицировать.
Все электрические явления включают взаимодействие между положительными и отрицательными зарядами.
Самые ранние исследования начались с выделения положительных и отрицательных объектов и наблюдения за их взаимодействием.
Шарль Огюстен де Кулон (Charles Augustin de Coulomb) (и другие) выполнил эти эксперименты.
Его результаты были переписаны в особенно мощной форме великим математиком Карлом Фридрихом Гауссом (Karl Friedrich Gauss).
Ганс Христиан Эрстед (Hans Christian Oersted) был первым, кто сообщил о связи между магнетизмом и электричеством, когда он заметил, что провод, по которому течет электрический ток, тревожит стрелку находящегося поблизости компаса.
Андре Мари Ампер (André Marie Ampére) и другие описали, как электрические токи могут создавать магнитные эффекты, а Майкл Фарадей (Michael Faraday) показал, что изменение магнитных явлений создает электрические явления.
Это все более сложное понимание строилось на каждом этапе на относительно простых экспериментах или наблюдениях.
Добавив к закону Ампера один термин, Максвелл признал, что все классические электромагнитные эффекты описываются четырьмя составленными им уравнениями.
Сэра Исаака Ньютона (Isaac Newton) часто называют человеком, внесшим наибольший вклад в физику.
Легко понять, почему он получил это отличие.
Ньютон был первым, кто математически описал фундаментальную силу природы.
Не удовлетворенный тем, что его аргументы были здравыми, Ньютон изобрел исчисление, чтобы помочь вычислить гравитационную силу Земли на Луне.
Если бы он первым нашел действительно фундаментальный и универсальный закон природы, это обеспечило бы его репутацию.
Однако вклад Ньютона был глубже.
Основные отношения между причинами (силами) и следствиями (движением) не были установлены во времена Ньютона.
Более чем четыре тысячи лет споров между естествоиспытателями не разрешили этот фундаментальный вопрос.
Ньютон показал, что сила производит ускорение (не скорость!).
В своих знаменитых «Principia Mathematica» Ньютон решил задачу о движении Луны вокруг Земли.
Его рассуждения простирались от фундаментального закона силы до результирующего движения, причем оба важнейших звена были им разработаны.
Это было убедительным достижением.
Более того, он установил модель, которой должны следовать все физики.
Эти две части истории физики хорошо иллюстрируют дух и сущность физики.
Какая-то часть физического мира привлекает наше внимание.
Стремясь понять его, мы должны сначала избавиться от отвлекающих элементов.
Если нам удастся поэтапно прийти к действительно фундаментальному пониманию, нам должны стать ясны все тайны первоначальных сложных явлений.
Конечно, наука, как и жизнь, редко бывает такой простой.
Процесс открытия продолжается.
Чтобы оценить центральную проблему современной физики, необходимо рассмотреть один последний исторический фрагмент.
В 1949 году Ричард Фейнман (Richard Feynman) завершил работу над квантовой электродинамикой (КЭД).
В одной теории Фейнман объединил квантовую механику, теорию относительности и электромагнетизм (рассматриваемый как единая сила со времен Максвелла).
КЭД — единственный наиболее точный предсказатель, который разработала наука, и одним шагом он вытеснил электромагнетизм из области исследований в физике, потому что теперь он полностью понят (по крайней мере, в принципе).
К середине этого века физики обнаружили, что четыре фундаментальные силы ответственны за все взаимодействия в природе, которые мы можем воспринять.
Это были Сильное и Слабое ядерные взаимодействия, Электромагнитное взаимодействие (теперь описываемое КЭД) и гравитационное взаимодействие Ньютона.
Между 1966 и 1968 годами Стеван Вайнберг (Stevan Weinberg) и Абдус Салам (Abdus Salam) объединили слабое ядерное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие и описали их как единый тип взаимодействия (называемый электрослабым взаимодействием).
Этот большой успех в объединении отдельных фундаментальных взаимодействий в единую теорию определил тему современной физики.
Физическое сообщество поняло намек.
Электричество и магнетизм — одно явление, а не два.
Тогда Электромагнитная Сила и Слабая ядерная сила — это одно явление, а не два.
Зачем останавливаться на достигнутом?
Разве не возможно, чтобы все четыре силы были действительно различными аспектами одной фундаментальной силы?
Ответ в том, что мы застряли.
После публикации КЭД было сделано много умных предложений.
В каждом случае наше понимание некоторых явлений улучшалось.
Но каждая теория оказалась в чем-то неудовлетворительной.
Поиск породил теорию Большого взрыва, лазеров, транзисторов, компьютеров и всемирной паутины.
Все они являются прямыми продуктами КЭД и последующего поиска Единой Теории Поля.
Придерживаясь центральной темы, мы быстро приближаемся к концу истории, но, конечно же, многие интересные и захватывающие части упускаются из виду.
Найти лежащий в основе закон — все равно, что найти архитектурный план дома.
Наличие плана природы помогает нам разрабатывать инструменты для расширения нашего понимания.
Но наличие планов и инструментов само по себе не построит дом.
Вы также должны собрать камни.
Между публикацией Максвелла и изобретением радио было проведено значительное исследование.
Благодаря радиоприему мы можем собирать данные о звездах и галактиках, которые раньше были невидимы.
Пульсары (быстро вращающиеся нейтронные звезды) были открыты в 1968 году Джоселин Белл Бернелл (Jocelyn Bell Burnell).
Другая часть электромагнитного спектра, рентгеновские лучи, дает нам сигнатуру черных дыр.
Но рентгеновские лучи также могут позволить нам заглянуть в человеческое тело или определить структуру кристаллов.
Структура ДНК была выведена Розалиндой Франклин (Rosalind Franklin) из кристаллизованного образца именно таким образом.
В качестве другого примера мы понимаем сильное ядерное взаимодействие, но детальная структура ядра все еще является активной областью исследований.
И одним из первых экспериментальных инструментов в этом исследовании был ядерно-магнитный резонанс.
Этот феномен, проявляемый всеми атомами, лежит в основе каждого исследования магнитно-резонансной томографии (МРТ) в наших больницах.
Благодаря своей способности отображать структуру мягких тканей, МРТ стала мощным инструментом биологических исследований.
Даже создание математических инструментов привело к замечательным технологиям.
Одной из первых сложных математических задач в области ядерной физики и физики элементарных частиц была обратная задача рассеяния.
Обратная задача рассеяния состоит в том, чтобы вывести структуру любого объекта (в данном случае ядра) путем реконструкции истории рассеянных волн.
Решение этой знаменитой проблемы привело непосредственно к разработке устройств, используемых для разведки нефти и предсказания землетрясений путем определения геологической структуры земли.
Эта технология также встроена в компьютер, который анализирует каждое диагностическое ультразвуковое исследование.
Область физики лежит в основе всех наших технологий.
Никакое краткое изложение не могло бы отдать должное теме.
Изучая физику, не слишком отвлекайтесь на красивые камни, которые вы найдете.
Также не расстраивайтесь, если вы споткнетесь о несколько.
Помните, что вы хотите увидеть весь дом.