Въведение във физиката

- Какво е физиката?
- Това, което работят физиците.
- Кои хора са физици?
- Физици са тези, които работят във физическите факултети.
- Кой ги наема на работа, например в този тук?
- Аз ги наемам!

Ед Бърчингър, ръководител на Физическия Факултет на Масачузетския Технологичен Институт

Имало едно време един селянин. Пилците му се разболели, и никой не можел да разбере от какво боледуват. В отчаянието си, той се обърнал за помощ към един свой приятел, физик. Една седмица по-късно, отишъл при физика, за да го попита дали има напредък с разнищването на мистерията. Селянинът намерил физика заровен в купчина листове изписани с уравнения и диаграми. Когато видял селянина, физикът грейнал в усмивка и гордо заявил: „Идваш тъкмо навреме! Тъкмо завърших модела си на абсолютно черно сферично пиле във вакуум!” ...

Неразбираема, безполезна, отвлечена - това са част от причините, които дават хората, когато обясняват защо науката им е безинтересна. Защо на някой би му била интересна науката? Не е ли науката този специален клуб, в който нормалният човек (т.е. не-ученият) няма как да членува? За това впечатление до голяма степен са си виновни учените -- науката е толкова интересно занимание, че много често ние, учените, забравяме да обясним ясно защо и как правим това, което правим.

Основният двигател на науката е неизчерпаемото любопитство. Науката позволява на човек систематично да задава въпроси и да получава отговори. Ако въпросите, които задаваме, изискват обяснението на неща от природата, този вид науки се наричат естествени науки. В основата на всички естествени науки стои физиката. Тъй като самите ние, авторите, сме физици, ще се опитаме да ви разходим из нея, пък току-виж сме предали малко от нашия ентусиазъм към нея и на вас.

Какво е физиката?

Физиката е навсякъде около нас: в компютъра, в който се взирате; в електрическата крушка, която свети над бюрото ви; във въздуха, който дишате; в хладилника, в който стои онова парче сирене, което недоизядохте вчера; в колата, която карате. Тя кара слънцето да свети, корабът да плава, и топката да отскача от главата на футболиста.

Физиката е науката, която изучава материята, енергията, пространството и времето. Тя не е завършено описание на света и е много възможно никога да не бъде такова. Въпреки това, тя обяснява огромен брой наблюдавани явления във Вселената с няколко физични закона, в които участват около 30 физични константи и параметри (измежду тях са скоростта на светлината, броят измерения на Вселената, масата на електрона, възрастта на Вселената).

Много хора се питат, излиза ли нещо полезно от науката? Съвременото ни общество става все по-зависимо от технологиите, и 2/3 от европейците осъзнават, че техните държави могат да бъдат икономически конкурентно способни, само чрез усвояването и прилагането на високи технологии. Въпреки това, много хора не разбират, че развитието на нови технологии е невъзможно, без развитие на науката (едва 1/2 от европейците и 1/3 от българите разбират това) [Евробарометър EB63.1].

Опознаваемостта на природата

Явленията в природата са динамични. Ако нещо се случи днес на улицата пред блока (например, ако падне едно листо от дървото наблизо; или кола изпревари друга кола; или човек поздрави друг човек), то практически е сигурно, че това събитие няма да се случи никога повече точно по същия начин. И въпреки това, много от явленията около нас (много физици биха казали, че най-вероятно всичко около нас), могат да бъдат описани с прости физични закони -- прости в сравнение с цялото разнообразие от явления, които наблюдаваме около нас всеки ден. Една изключително важна причина за това е, че природните закони са неизменни. Например, много хора са чували за уравнението на Айнщайн, , което казва, че енергията и масата са еквивалентни. Този закон, който е в сърцето на ядрената енергетика, беше верен вчера, верен е и днес (верен, до колкото не противоречи на нищо, което сме наблюдавали до сега). Верен е както тук на Земята, така и в центъра на Слънцето. Удивително е, че в природата има неща, които са постоянни, независимо как гледаме на тях, независимо колко си въртим главата и мигаме с очи. Това позволява на физиците да извършват едни и същи експерименти и да получават едни и същи резултати, като по този начин могат да проверяват резултатите на своите колеги.

Това постоянство на природата много често физиците наричат симетричност (по-точно: симетриите в природата пораждат познатите ни от училище закони за запазване на енергията, импулса и т.н.). Нашата Вселена е изключително симетрично място, като някои от симетриите в природата се проявават в абстрактни математически пространства. Навсякъде, където нашите инструменти могат да проникнат, ние виждаме тази симетричност. Природата е красива и симетрична без ние да сме си я „поръчали” такава! За вкуса на един физик, всички тези твърдения, звучат много мъгляво, и затова физиците предпочитат езика на математиката, за да ги опишат количествено. Защо Вселената може да бъде описана с математически модели е въпрос, който немалко физици са си задавали, но който поне за момента е извън пределите на физиката.

Какви хора са физиците?

Физиците не са луди, нито се опитват да разрушат Земята. Те излизат с приятели, играят волейбол, ходят на планина и на море. Оценяват красотата на природата като всеки нормален човек. Работят в университети, лаборатории, частни компании, държавни институти и агенции. Физиците преподават, правят изследвания, развиват нови технологии. Експериментите им могат да са по планински върхове, в мини, в космоса. Физиците са добри в решаването на задачи, всякакви видове задачи -- от езотерични до досадни: Как отразява огледалото? Колко бързо трябва да изтреляш ракета, за да стигне до Плутон? Има ли център Вселената? Как световен екип от учени може да си обменя данни в реално време? (Това последното довело физиците до изобретяването на мрежата World Wide Web или накратко www -- същото това www, което стои явно или неявно в началото на всеки уеб адрес в интернет.)

Какво е научният метод?

Убеждението, че учените не зачитат чуждото мнение, е напълно погрешно. Но е вероятно продиктувано от това, че за да убедите един учен в нещо, трябва да му поднесете солидни доказателства, защото той не се впечатлява от голи приказки, нито ще се подвуоми да ви задава „неудобни” въпроси. Накратко, според учения всичко вероятно е погрешно, дори собствените му теории. Този скептицизъм, който се основава на критично и рационално мислене, се нарича научен скептицизъм. Този тип мислене заляга в основата на научния метод -- подходът, който използва науката за изучаване на природата.

В идеалния случай, научният метод е перфектен самокоригиращ се алгоритъм за опознаване на света. При наличието на повторяеми експерименти (наблюдения на природата), учените създават опровержими хипотези, с които да обяснят тези експерименти. След множество проверки много от тези хипотези биват отхвърляни. Тези от тях, които устояват на проверката, трябва да могат да предвидят конкретни нови феномени, с които тези хипотези да бъдат проверявани отново и отново. От този процес изкристализирва физичен модел за наблюдаваното явление, който се нарича физична теория.

Физичната теория е безсмислена, без да се укажат границите, в които тя е била проверена. Нови теории, които включват по-стари валидни теории, имат по-широк диапазон на валидност. Например, теорията на всеобщото привличане на Нютон и Общата теория на относителността на Айнщайн са практически еквивалентни теории описващи гравитацията, когато говорим за скорости много по-малки от скоростта на светлината, за слаби гравитационни полета, и за мащаби малки в сравнение с мащабите на Вселената. Общата теория на относителността на Айнщайн обаче, за разлика от Нютоновата гравитация, е валидна и във случаи, когато Нютоновата гравитация е невалидна. Това не значи, че Нютон не е бил прав. Теорията му продължава да е валидна, но в дадените граници.

Предели на приложимост на науката

Сегашните основни предели на приложимост на науката, и физиката в частност, са:
1) Високи енергии. Познатите ни взаимодействия в природата между отделните части на материята се делят (донякъде условно) на четири вида: гравитационно, електромагнитно, слабо и силно. Има много причини, поради които смятаме, че всъщност всички тези взаимодействия (вероятно) без гравитационното са проявления на едно и също взаимодействие. За да се провери тази хипотеза, обаче се оказва, че се налага да се блъскат частици (например електрони) една в друга с огромна енергия, което става в гигантски съоръжения, наречени ускорители. Тези високо енергийни сблъсъци работят като изключително мощен микроскоп (сравнението не е просто фигуративно), който ни позволява да надникнем все по-надълбоко в строежа на материята.

2) Много степени на свобода. Броят на степените на свобода в една физична система измерва количеството параметри, които са нужни, за да бъде описана напълно системата. Когато говорим за система от частици, степените на свобода са грубо равни на броя частици в тази система. В природата се наблюдава, че груповото поведение на голямо множество атоми може да е коренно различно от груповото поведение на няколко атома, въпреки че законите, които управляват отделните атоми, са едни и същи. Типичен пример за това са появата на явления като фазовите преходи на водата (например от течност в пара), които се проявяват само, когато броят атоми стане значителен (което е винаги вярно в ежедневието). Именно появата на такива явления при наличието на много степени на свобода не е изучено изцяло. Както казва Ричард Файнман в своите прословути лекции по физика, физиката е като играта на шах: знаем правилата на играта (законите на ниво частици), 'само' трябва да се научим да играем добре (да извлечем ефективните закони, които управляват сложните физични системи). Примери за такива неизучени явления са някои видове свръхпроводимост, появата на живота и съзнанието, информационния парадокс при черните дупки. Но за всичко това -- друг път.

3) Начални условия на Вселената. В началото ви разказахме как сравнително прости и неизменни физични закони водят до изключително сложните и динамични процеси, които наблюдаваме в природата. Математическата структура на тези закони е такава, че самото им познаване не е достатъчно. Тези закони казват как нещата в природата се движат и си взаимодействат, но за да е пълно описанието, трябва да знаем къде са били тези неща в началото. Например, ако знаем, че един колоездач се е движил един час със скорост 20 км/ч на север, ние не можем да кажем къде е в момента, ако не знаем, от къде е тръгнал. Всичко във Вселената е тръгнало от някъде и това „някъде” е така наречения Голям Взрив, който отбелязва началото на съществуването на нашата Вселена. Ние знаем, че Вселената в началото е била изключително хомогенна и изотропна, и знаем как в тази „гладка” Вселена в последствие са възникнали всички галактики, звезди и планети и всичко по тях. Но за момента, на въпроса защо Вселената в началото е била толкова хомогенна и изотропна, имаме само частични отговори.

За всички въпроси по-горе, учените могат да правят добре информирани догадки. Но крайната дума имат експериментите и наблюденията, които ще ни кажат кои от тези догадки са верни и кои не.

Псевдонауката

Да бъде дадено поле признато за наука е еквивалентно да бъде призната възможността му да бъде непротиворечиво и безпристрастно описание на света. Затова има много хора, най-общо казано шарлатани, които използват (или се опитват да използват) езика на науката, за да продават твърденията си. Така възниква псевдонауката -- дейности, полета за изява и пр., които използват езика на науката или които се представят за наука, без да следват научния метод, който не признава недоказани или недуказуеми разкази и твърдения. Стандартни примери за псевдонаука са астрологията, хомеопатията, идеята за божествен произход на видовете, и много други. За съжаление, псевдонауките успяват да намерят място в съвременното общество. Според специалния евробарометър EB63.1 „Европейците, Науката и Технологиите” от 2005 година, българите са едни от най-подлъгваните европейци -- едва около 20% от българите знаят, че астрологията и хомеопатията не са науки, докато съответния процент в Европейския съюз е около 50%.

Физиката, метафизиката, и безсмислиците

Когато един млад физик си пробива път в науката, едно от първите неща, които трябва да разбере е до къде се простират границите на науката. Границите на науката са поставени от научния метод. Нещо, което не може да бъде проверено и опровергано, не е част от науката. Именно в това се състои разликата между науката и всички други видове познание. Затова въпроси, като „Как физичните уравнения оживяват?”, т.е. как математическите модели стават реалност, (поне за сега) не са в рамките на физиката. Те се разглеждат от философията и по-специално от метафизиката. Границата между метафизиката и физиката е много размита и динамична. Понякога се случва дадени метафизични проблеми да се окажат проверяеми от научния подход, т.е. те навлизат в пределите на физиката. Много физици, включително много Нобелови лауреати, са изказвали мнението си по един или друг въпрос, стоящ именно в тази сива зона.

Има и много въпроси, които не принадлежат нито към физиката, нито към метафизиката, поради простата причина, че не всеки въпрос, който може да бъде зададен с думи, е логически непротиворечив. Например, въпросът „Кое лежи на юг от южния полюс?” е напълно безсмислен. Но има много други въпроси, които не е толкова очевидно как трябва да бъдат класифицирани. „Какво е имало преди Големия Взрив?” е въпрос, който на някои сигурно звучи напълно смислено, но се оказва, че той е точно толкова безсмислен, колкото и въпроса за южния полюс.

Различаването на тези категории въпроси в много случаи изисква изключително внимание и опит. А отговорите може да са много по-шантави, отколкото човек може да си представи. Именно затова много често ще чуете добрите преподаватели да казват, че няма глупави въпроси, и ще поощряват учениците или студентите си да ги прекъсват и да задават своите въпроси, за да не остават недоизяснени проблеми.

Физиката е интересна, но трудна. Защо?

Някои от причините, поради които физиката е трудна наука, са напълно очевидни. Например, физиката използва математически обекти, за да опише света.

Следващото препятствие по пътя към науката е терминологията, типична за всеки дял от науката. За много ученици е много объркващо привързването на думи от ежедневния език към специални, понякога абстрактни, физични обекти, всеки от които има своя собствена структура и специфични взаимовръзки с други физични обекти. Много усилия са вложени термините във физиката, като „сила” например, да са достатъчно близо до ежедневните ни представи за тях. Но въпреки това, това не винаги е възможно. Ако за един ученик работата, която той е вложил в научаването на един урок, може да е интуитивно равна на усилието, което е влагал, по времето, което е учил; то във физиката, работата е равна на силата по изминатия път.

По време на своя житейски път, човек трупа опит и си изгражда концепции за света, които са не винаги правилни. Едната от причините, физиката да се счита за трудна наука, е, че интуитивните представи за света не са винаги еквивалентни на физичните представи за света. Гледайки Слънцето как изгрява от изток и залязва на запад, човек си изгражда впечатлението, че Слънцето се върти около Земята -- погрешна представа, оборена едва преди около 500 години. Един въпрос, който хората дълго време не са си задавали, е как би изглеждал пътят на Слънцето по небето ако Земята се въртеше около оста си, а Слънцето стоеше неподвижно. Ако не сте се досетили вече, отговорът е: по същия начин. Но фактът, че не усещаме въртенето на Земята, върху която стоим, автоматично ни кара да отхвърли варианта с въртящата се Земя и неподвижното Слънце, и по този начин столетия наред хората са имали погрешна представа за слънчевата система.

При наличието на добро образование, повечето от по-горните проблеми, могат да бъдат преодоляни. Това за съжаление не важи за България. От 1995 до 2003, България бележи рекорден спад в качеството на образованието си по математика и естествените науки измежду 35 държави учавствали в изпитите провеждани от TIMSS. През 1995 България си делеше първото място в Европа и едно от челните в света, а през 2003 си дели последното.

Но дори и при наличие на добро образование, физиката изисква пренастройване на мисленето, което често спъва дори самите физици. Някои проблеми, като „парадоксът на близнаците” например, отнемат дълги години преди да бъдат разбрани от всички физици. Обикновено в такива смутни времена се раждат много шарлатани, предлагащи своето „уникално” решение на проблема, което винаги поражда снизходителни усмивки у учените, но понякога обърква обществеността. Това пренастройване на мисленето е чудесно илюстрирано от отговора, който Ричард Файнман (Нобелов лауреат по физика; създател на квантовата теория на електромагнетизма) дава на въпрос да обясни с прости ежедневни думи какво представлява силата между два магнита. След кратко замисляне, Файнман отговаря (перефразирайки го), че използвайки електромагнитното взаимодействие той може да обясни интуитивната представа за сила, която например се проявява особено ярко при сритването на крака на масата на бос крак, но няма как да обясни силата между два магнита с топчета и пружинки.

Друг пример, при който самите физици са се лутали в продължение на деситилетия, е как да обяснят квантовата механика с класическите ни представи за света. Сега на все повече физици става ясно, че това, което са се опитвали да направят, е невъзможно: светът е изцяло квантов и от квантовата механика автоматично възниква класическия свят, когато се намесят много степени на свобода (или грубо казано частици). На много хора това не им харесва. Отговорът на Файнман е: „Не ти харесва? Отиди някъде другаде. В друга Вселена, където правилата са по-прости [...]”

Как се става физик?

Много е вероятно да има колкото физици по света (и у нас), толкова и причини и начини, по които те са стигнали до това поприще. Някои от нас са били съвсем случайно въвлечени в света на физиката, докато са зяпали невероятните форми и цветове на най-новата снимка от телескопа Хъбъл; други са се пробвали на училищни олимпиади и са усетили, че физичните задачи там са им интересни и ги карат да се замислят; а трети направо са се родили физици. По какъвто и начин тези хора да са стигнали до идеята да се занимават с физика, в това занимание почти всички те са открили подходящото интелектуално предизвикателство, намерили са съмишленици и възможност да изследват
непознатото.

Ако имаш някъде из главата си един склад - добре подреден, каталогизиран и прошнурован - с всякакви въпроси от рода: "Защо се върти Земята?" или "Как работи mp3 плейърът ми?", или "Какво причинява торнадото?", тогава може би си готов да станеш физик. Но любознателността е само първото изискване за един учен, или физик - в края на краищата, всички деца са изключително любопитни, но много малко от тях стават физици. За да можете да видите света в неговата сурова същност с непредубедени очи (почти както Нео вижда света на Матрицата в нули и единици), и да започнеш да си отговаряш на всички тези въпроси, трябва да добавиш още порция абстрактно мислене, щипка систематичност и организираност, една супена лъжица учение. Кипни в няколко чаени чаши упоритост, търпение, математика, и няколко езика за програмиране. Подправи се с хумор и скептицизъм на вкус, и се печи на бавен огън десетина години. Сервирай се с дисертация и три-четири научни статии като за начало. Бон апети!

Но нима трябва да станеш доктор на науките, за да разбираш, цениш и обичаш физиката? Не непременно, стига да имаш малко абстрактно логическо мислене, да имаш критичен поглед, и най-важното - да ти е интересна физиката. В този сайт публикуваме статии и новини, както за дипломирани физици и астрономи, така и за всеки интелигентен и любознателен човек. Ако искате да станете физици, тук е едно подходящо място, от което можете да започнете. Ако пък искате да следите какво ново и интересно се случва във физиката, тук ще намерите много новини и авторски научно-популярни статии.

Светлин Тасев и Камен Козарев
6 юли 2008

Профизика 2008
www.profizika.org

Библиография

По идеи от: What is Physics?
2005 World Year of Physics

George Marx, What is physics?, Phys Educ., vol. 18, p. 7, 1983

Р. Файнман, Р. Лейтън, М. Сендс, Файнманови лекции по физика. Том 1, 1965

Лекция на Ричард Файнман

Лекция на Сидни Коулман

TIMSS 2003

Специални Евробарометри