2. Силы, строение вещества, уравнения движения

Что надо знать для объяснения упругости

Вернемся к нашему столу, покинутому нами ранее. Как же объяснить, почему при прогибе стола возникает сила, стремящаяся вернуть его в начальное состояние? Как было объявлено ранее, сила эта имеет электромагнитную природу. Теперь мы знаем основные законы электромагнетизма и, может показаться, уже готовы немедленно дать объяснение происхождения упругой силы.

Но попробуйте-ка это сделать! Конечно, никакой разумной теории сил упругости вы не придумаете. И не только потому, что у вас нет опыта и не ясно, как приступать к делу. Знания одной только природы электромагнитных сил еще недостаточно. "Теоретизировать же, не имея данных, опасно. Незаметно для себя человек начинает подтасовывать факты, чтобы пригнать их к своей теории, вместо того чтобы обосновывать теорию фактами". Эти слова принадлежат "гению с Бейкер-стрит", мистеру Шерлоку Холмсу. Они справедливы в равной мере как при раскрытии преступлений, так и при исследовании природы.

Как объяснить упругость?

Что же еще нам нужно знать, чтобы составить себе ясную картину возникновения упругих сил?

Законы электромагнитных взаимодействий позволяют нам сказать, какие силы возникают между заряженными частицами на определенном расстоянии друг от друга, если они движутся с известными скоростями. Чтобы найти величину этих сил, нужно, следовательно, кроме знания фундаментальных законов взаимодействий, еще знать, каковы свойства частиц, слагающих вещество, как они расположены относительно друг друга и как они движутся. Без этого мы не сможем объяснить происхождения ни сил упругости, ни сил трения, ни любых других сил электромагнитной природы. Не сможем понять также, почему твердые тела стремятся сохранить свою форму, а жидкие - объем.

Три слона, на которых покоится физика

Неожиданного здесь ничего нет. Упругие свойства, например, резины очень мало напоминают свойства деревянной палки, хотя в том и другом случае упругость имеет электромагнитную природу. Только различием в строении вещества мы можем объяснить этот и подобные ему факты. О строении вещества мы уже немного говорили, когда речь шла о явных и неявные проявлениях электромагнитных сил. Значительно больше будет сказано в дальнейшем.

Пусть нам известно строение вещества. Достаточно ли этого для объяснения упругих и других сил электромагнитного происхождения, позволяет ли это понять устойчивость кусков вещества? При сжатии или растяжении меняются размеры тел, а значит и расстояния между заряженными частицами, слагающими вещество. Происходит изменение состояния движения частиц, меняются их скорости, они перемещаются. Чтобы узнать, как будет перемещаться частица под действием определенной силы, а это обязательно в теории упругости, надо знать еще законы движения: надо знать, как меняется движение под влиянием силы. Для объяснения устойчивости кусков вещества знание уравнений движения также необходимо, поскольку вещество построено из движущихся, взаимодействующих частиц, и только вследствие этого движения оказывается возможной устойчивость как самого атома, так и образований из громадного количества атомов - макроскопических тел.

Три слона, на которых покоится физика

С классическими уравнениями движения мы знакомы. Это законы Ньютона, о которых шла речь выше. Именно уравнения движения вместе с законом всемирного тяготения позволили объяснить движение планет солнечной системы, а в настоящее время позволяют с громадной точностью рассчитывать траектории космических кораблей. Знания одних гравитационных сил для этого совершенно недостаточно.

Итак, наряду с фундаментальными законами взаимодействий надо знать еще строение вещества и уравнения движения. И это нужно, кстати сказать, для объяснения любого физического явления. Строение вещества, силы и уравнения движения - вот три "слона", на которых покоится вся физика.

Строение вещества

Что такое силы и уравнения движения - мы уже выяснили. Что касается представлений о строении вещества, то они в первую очередь включают знание свойств элементарных частиц. Сведения об основных устойчивых комбинациях, которые эти частицы образуют (атомные ядра и атомы), также могут быть отнесены к строению/вещества. Знание строения вещества включает в себя, наконец, знание об упорядоченных образованиях из атомов - молекулах и кристаллах. Последнее как раз и нужно для объяснения сил упругости.

"Нельзя объять необъятное"

Вы, наверное, уже заметили, в какое затруднительное положение мы попали: собирались рассказать только о силах, а выяснилось, что надо говорить и о строении вещества, и об уравнениях движения. А ведь это вся физика! Трудности не бросались в глаза, когда речь шла о действиях гравитационных сил. Силы эти значительны лишь для больших тел, внутреннее строение которых никак не сказывается на величине силы (существенна только их масса). Законы движения просты и наглядны - уравнения Ньютона.

С электромагнитными силами внутри нейтральных тел дело обстоит гораздо сложнее. Здесь требуются сведения о свойствах элементарных частиц, о строении атомов, молекул и кристаллов. Самое же главное в том, что движение атомных частиц, взаимодействие между которыми в конечном счете обусловливает устойчивость и упругие свойства вещества, подчинено неизмеримо более сложным законам движения, чем классические. Это законы квантовой механики, рассказ о которой сам по себе требует книги.

Мы неукоснительно будем придерживаться нашей цели - сил в природе, и поэтому будем стремиться ограничиться самыми минимальными сведениями из других областей физики, без которых уже совсем нельзя обойтись. В картине, которую мы нарисуем, будет только упрощенная схема поведения частиц, истинное понимание которого возможно лишь при более или менее глубоком знакомстве с квантовой механикой. Иначе легко можно оказаться в положении человека, собравшегося позабавить слушателей рассказом об одном эпизоде из своей жизни, а вместо этого принявшегося подробно излагать всю свою биографию из боязни, что его не поймут, как следует.

Единство природы

Надо сказать, что слоны, на которых покоится вся физика, отнюдь не являются существами вполне самостоятельными. Особенности одного из них предопределяют в той или иной мере характер других. Только в теории элементарных частиц мы не обнаруживаем пока еще органической связи между свойствами этих частиц, силами и уравнениями движения. Еще не ясно, почему в мире существует определенное количество элементарных частиц и почему они имеют именно те свойства, которые обнаруживает эксперимент. Проблема строения элементарных частиц в этом смысле не решена. Однако уже сейчас имеется определенная надежда решить эту проблему, хотя бы отчасти, в недалеком будущем. Связи, о которых идет речь, начинают намечаться, и все крепче становится уверенность, что только недостатки нашего "научного зрения" создают иллюзию трех независимых столпов теории. Скорее всего все здание науки должно покоиться, так сказать, на одной черепахе, имя которой - единая теория поля. То, что мы принимаем за "самостоятельных слонов", на самом деле лишь своеобразные сегменты панциря этой неведомой нам пока черепахи.

Строение атомов, молекул и макроскопических кусков вещества вполне определяется известными нам силами взаимодействия между частицами, слагающими эти объекты, и законами их движения. Надо, конечно, знать еще, какие же частицы слагают атомы и вещество, и здесь нужные сведения может дать только опыт. Дальше строение атома, молекулы и т. д. в принципе можно получить "на кончике пера". Правда, во многих случаях только в принципе. Возникающие трудности столь велики, особенно когда система состоит из большого числа частиц, что основные сведения приходится добывать опытным путем.

Как правило, исследователи раньше проникают в тайны строения с помощью прямых опытов, чем получают возможность исследовать его на основании одних лишь фундаментальных законов взаимодействий и уравнений движения.

Ведь последние часто удается сформулировать, когда ставят задачу объяснения известных фактов строения вещества^*. Сейчас, например, мы знаем, из чего состоят атомные ядра всех элементов, но не имеем законченной теории ядерных сил и потому не можем предсказать теоретически с полной определенностью, насколько устойчива та или иная комбинация протонов и нейтронов.

^*(Так, закон всемирного тяготения был открыт с помощью экспериментально установленных законов Кеплера.)

Самый простой путь

Вполне понятно, что гораздо проще объяснить известными силами и законами движения экспериментально установленные факты строения вещества, чем пытаться, пользуясь этими законами, найти, как должно быть построено вещество. Точно так же гораздо проще разобраться в конструкции уже готового автомобиля и понять, как и почему он работает, чем сконструировать его, располагая лишь набором материалов и инженерной наукой. Недаром ведь существует патентное законодательство, защищающее права изобретателей.

Мы пойдем в дальнейшем по более простому пути. Основные данные о строении атомов, молекул и макроскопических тел будем считать установленными экспериментально, ни слова не говоря, как это было сделано. Главная цель - рассказать, как действием электромагнитных сил можно объяснить это строение. После этого можно перейти к тому, что происходит с веществом при внешних воздействиях. Какие силы в нем появляются и почему?