“La fisica è come il sesso: può non dare risultati pratici, ma questo non è un motivo per non praticarla”- lo slogan con cui Richard Feynman ha attraversato la vita, affascinando migliaia di persone con la sua passione sfrenata. Scienziato brillante, microbiologo curioso, profondo esperto della scrittura Maya, artista, musicista e scassinatore part-time, Feynman ha lasciato una vasta eredità scientifica nel campo della fisica teorica e un numero considerevole di discorsi in cui il Il professore ha cercato di trasmetterci la sua ammirazione per il genio e la semplicità della natura, molte leggi che ancora non riusciamo a comprendere.

In questo senso, il Messenger di Feynman tiene conferenze sull'argomento "La natura delle leggi fisiche", letto da lui nel 1964 alla Cornell University, è un mini-libro di testo universale sulla fisica, che presenta in modo breve, acuto, accessibile ed emotivo i risultati di questa scienza e i problemi che devono affrontare i ricercatori. Sì, sono passati 50 anni, molto è cambiato (è stata avanzata la teoria delle stringhe, è stato scoperto il bosone di Higgs, l'esistenza dell'energia oscura, l'espansione dell'Universo), ma quei fondamenti, quelle leggi fisiche di cui parla Feynman sono un chiave universale con la quale puoi avvicinarti con sicurezza alla conoscenza delle ultime scoperte degli scienziati in questo campo. Si può però fare a meno di questo pathos pragmatico: le lezioni di Feynman sono sorprendenti e piaceranno a tutti coloro che restano insensibili davanti alla grandezza della Natura e all'armonia che permea ogni cosa nel nostro mondo, dalla struttura della cellula alla struttura dell'Universo . Dopotutto, come ha detto lo stesso Feynman, . Quindi godiamocelo.

Lezione n. 1

"La legge di gravità universale"

In questa conferenza, Richard Feynman presenta la legge di gravità come esempio di legge fisica, la storia della sua scoperta, le caratteristiche che la distinguono dalle altre leggi e le straordinarie conseguenze che la scoperta della gravità comportò. Un altro scienziato qui riflette sull'inerzia e su come sorprendentemente tutto funzioni:

Questa legge è stata chiamata "la più grande generalizzazione raggiunta dalla mente umana." Ma già dalle parole introduttive probabilmente hai capito che mi interessa non tanto la mente umana quanto le meraviglie della natura, che possono obbedire a leggi così eleganti e semplici come la legge di gravitazione universale. Pertanto non parleremo di quanto siamo intelligenti nello scoprire questa legge, ma di quanto sia saggia la natura nell'osservarla.

Lezione n. 2

"Il legame tra fisica e matematica"

La matematica è la lingua parlata dalla natura, secondo Richard Feynman. Tutti gli argomenti a favore di questa conclusione sono nel video.

Nessuna discussione intellettuale può trasmettere a una persona sorda il sentimento della musica. Allo stesso modo nessun argomento intellettuale può trasmettere all’uomo la comprensione della natura. "un'altra cultura" I filosofi cercano di parlare della natura senza la matematica. Sto cercando di descrivere la natura matematicamente. Ma se non mi capiscono non è perché sia ​​impossibile. Forse il mio fallimento è spiegato dal fatto che gli orizzonti di queste persone sono troppo limitati e considerano l'uomo il centro dell'Universo.

Lezione n. 3

"Le grandi leggi della conservazione"

Qui Richard Feynman inizia a parlare dei principi generali che permeano l'intera varietà delle leggi fisiche, prestando particolare attenzione al principio della legge di conservazione dell'energia: la storia della sua scoperta, la sua applicazione in vari campi e i misteri che l'energia pone per gli scienziati.

Cercare le leggi della fisica è come il gioco di un bambino con i cubi, da cui è necessario assemblare un'intera immagine. Abbiamo una grande varietà di cubi e ogni giorno ce ne sono sempre di più. Molti restano in disparte e non sembrano adattarsi agli altri. Come facciamo a sapere che provengono tutti dallo stesso set? Come facciamo a sapere che insieme dovrebbero formare un quadro completo? Non esiste una certezza assoluta e questo ci preoccupa un po’. Ma il fatto che molti cubi abbiano qualcosa in comune ci dà speranza. Su tutti è dipinto un cielo azzurro e sono tutti realizzati con lo stesso tipo di legno. Tutte le leggi fisiche sono soggette alle stesse leggi di conservazione.

Fonte video: Evgeny Kruychkov / Youtube

Lezione n. 4

"Simmetria nelle leggi fisiche"

Lezione sulle caratteristiche della simmetria delle leggi fisiche, le sue proprietà e contraddizioni.

Dato che sto parlando delle leggi della simmetria, vorrei dirvi che in relazione ad esse sono sorti diversi nuovi problemi. Ad esempio, ogni particella elementare ha una corrispondente antiparticella: per un elettrone è un positrone, per un protone è un antiprotone. In linea di principio, potremmo creare la cosiddetta antimateria, in cui ogni atomo sarebbe costituito da antiparticelle corrispondenti. Pertanto, un normale atomo di idrogeno è costituito da un protone e un elettrone. Se prendiamo un antiprotone, la cui carica elettrica è negativa, e un positrone e li combiniamo, otteniamo un tipo speciale di atomo di idrogeno, per così dire, un atomo di antiidrogeno. Inoltre, si è scoperto che, in linea di principio, un simile atomo non sarebbe peggiore di uno normale e che in questo modo sarebbe possibile creare antimateria di vario tipo. Ora è lecito chiedersi: tale antimateria si comporterà esattamente come la nostra materia? E, per quanto ne sappiamo, la risposta a questa domanda dovrebbe essere sì. Una delle leggi della simmetria è che se creiamo un'installazione dall'antimateria, si comporterà esattamente come un'installazione dalla nostra materia ordinaria. È vero, non appena queste installazioni saranno riunite in un unico luogo, avverrà l’annientamento e voleranno solo scintille.

Lezione n. 5

"La differenza tra passato e futuro"

Una delle conferenze più interessanti di Feynman, che, per ironia della sorte, rimane l'unica non tradotta. Non c'è bisogno di scoraggiarsi - per coloro che non cercano di comprendere le complessità dell'inglese scientifico, puoi leggere il capitolo con lo stesso nome dal libro dello scienziato, per tutti gli altri - pubblichiamo una versione inglese del discorso del fisico .

Ricordiamo il passato, ma non ricordiamo il futuro. La nostra consapevolezza di ciò che potrebbe accadere è di tipo molto diverso dalla nostra consapevolezza di ciò che probabilmente è già accaduto. Il passato e il presente sono percepiti psicologicamente in modi completamente diversi: per il passato abbiamo un concetto così reale come la memoria, e per il futuro abbiamo il concetto di apparente libero arbitrio. Siamo sicuri di poter in qualche modo influenzare il futuro, ma nessuno di noi, con la possibile eccezione dei single, pensa di poter cambiare il passato. Pentimento, rimpianto e speranza sono tutte parole che tracciano chiaramente il confine tra passato e futuro.<…>. Ma se tutto in questo mondo è fatto di atomi e anche noi siamo costituiti da atomi e obbediamo alle leggi fisiche, allora naturalmente questa evidente differenza tra passato e futuro, questa irreversibilità di tutti i fenomeni si spiegherebbe con il fatto che alcune leggi della natura atomica Il movimento ha una sola direzione: le leggi atomiche non sono le stesse in relazione al passato e al futuro. Ci deve essere un principio da qualche parte come: “Puoi fare un bastone con un albero di Natale, ma non puoi fare un albero di Natale con un bastone” in relazione al quale il nostro mondo cambia costantemente il suo carattere da un albero di Natale a uno a bastoncino - e questa irreversibilità delle interazioni dovrebbe essere la ragione dell'irreversibilità di tutti i fenomeni della nostra vita.

Lezione n. 6

“Probabilità e incertezza: uno sguardo alla natura della meccanica quantistica”

Ecco come lo stesso Feynman pone il problema della probabilità e dell'incertezza:

La teoria della relatività afferma che se credi che due eventi siano accaduti nello stesso momento, allora questo è solo il tuo punto di vista personale, e qualcun altro con la stessa ragione può sostenere che uno di questi eventi è accaduto prima dell'altro, quindi il concetto della simultaneità risulta essere puramente soggettivo<…>. Naturalmente non può essere altrimenti, poiché nella nostra vita quotidiana abbiamo a che fare con enormi aggregazioni di particelle, processi molto lenti e altre condizioni molto specifiche, per cui la nostra esperienza ci dà solo una comprensione molto limitata della natura. Solo una piccolissima parte dei fenomeni naturali può essere raccolta dall’esperienza diretta. E solo con l’aiuto di misurazioni molto sottili ed esperimenti preparati con cura è possibile ottenere una visione più ampia delle cose. E poi cominciamo a incontrare sorprese. Ciò che osserviamo non è affatto ciò che avremmo potuto immaginare, per nulla ciò che abbiamo immaginato. Dobbiamo sforzare di più la nostra immaginazione non per, come nella finzione, immaginare qualcosa che non esiste realmente, ma per comprendere cosa sta realmente accadendo. Questo è ciò di cui voglio parlare oggi.

Lezione n. 7

"Alla ricerca di nuove leggi"

A rigor di termini, ciò di cui parlerò in questa conferenza non può essere definito una caratteristica delle leggi della fisica. Quando parliamo della natura delle leggi fisiche, possiamo almeno supporre che stiamo parlando della natura stessa. Ma ora voglio parlare non tanto della natura, ma del nostro atteggiamento nei suoi confronti. Vorrei parlarvi di ciò che consideriamo noto oggi, di ciò che resta da indovinare e di come vengono indovinate le leggi della fisica. Qualcuno ha addirittura suggerito che sarebbe meglio se, come vi dico, poco a poco vi spiego come indovinare la legge, e alla fine vi svelo una nuova legge. Non so se posso farlo.

Richard Feynman sul materiale che guida tutte le leggi fisiche (la materia), sul problema dell'incompatibilità dei principi fisici, sul posto dei presupposti taciti nella scienza e, ovviamente, su come vengono scoperte nuove leggi.

Ai lettori dell'edizione russa

Queste sono lezioni di fisica generale tenute da un fisico teorico. Non sono affatto simili a nessun corso conosciuto. Questo può sembrare strano: i principi di base della fisica classica, e non solo classica, ma anche quantistica, sono stati stabiliti da tempo, il corso di fisica generale è stato insegnato in tutto il mondo in migliaia di istituti scolastici per molti anni ed è tempo affinché si trasformi in una sequenza standard di fatti e teorie conosciute, come, ad esempio, la geometria elementare a scuola. Tuttavia, anche i matematici credono che la loro scienza dovrebbe essere insegnata in modo diverso. E non c'è niente da dire sulla fisica: si sta sviluppando così intensamente che anche i migliori insegnanti affrontano costantemente grandi difficoltà quando hanno bisogno di parlare agli studenti della scienza moderna. Si lamentano di dover rompere quelle che vengono chiamate idee vecchie o abituali. Ma da dove vengono le idee abituali? Di solito entrano nelle giovani teste a scuola dagli stessi insegnanti, che poi parleranno dell'inaccessibilità delle idee della scienza moderna. Pertanto, prima di entrare nel vivo della questione, è necessario dedicare molto tempo a convincere gli ascoltatori della falsità di ciò che è stato precedentemente instillato in loro come una verità ovvia e immutabile. Sarebbe folle dire prima agli scolari “per semplicità” che la Terra è piatta e poi, come scoperta, riferire che è sferica. Il percorso lungo il quale i futuri specialisti entrano nel mondo moderno delle idee della teoria della relatività e dei quanti è così lontano da questo esempio assurdo? La questione è complicata anche dal fatto che relatore e ascoltatori sono per la maggior parte persone di generazioni diverse, ed è molto difficile per il conferenziere sfuggire alla tentazione di condurre gli ascoltatori lungo il percorso familiare e affidabile lungo il quale lui stesso è allo stesso tempo tempo ha raggiunto le altezze desiderate. Tuttavia, la vecchia strada non rimane la migliore per sempre. La fisica si sta sviluppando molto rapidamente e per stare al passo dobbiamo cambiare il modo in cui la studiamo. Tutti concordano sul fatto che la fisica è una delle scienze più interessanti. Allo stesso tempo, molti libri di testo di fisica non possono essere definiti interessanti. Tali libri di testo descrivono tutto ciò che segue il programma. Di solito spiegano quali benefici apporta la fisica e quanto sia importante studiarla, ma da loro molto raramente si riesce a capire perché studiare la fisica è interessante. Ma anche questo lato della questione merita attenzione. Come rendere un oggetto noioso allo stesso tempo interessante e moderno? Dovrebbero pensarci prima di tutto quei fisici che lavorano con passione e sanno trasmettere questa passione agli altri. Il momento della sperimentazione è già arrivato. Il loro obiettivo è trovare i modi più efficaci per insegnare la fisica, che consentirebbero loro di trasferire rapidamente a una nuova generazione l'intero patrimonio di conoscenze accumulato dalla scienza nel corso della sua storia. Anche trovare nuovi modi di insegnare è sempre stata una parte importante della scienza. L'insegnamento, seguendo lo sviluppo della scienza, deve cambiare continuamente le sue forme, rompere le tradizioni e cercare nuovi metodi. Un ruolo importante qui è giocato dal fatto che nella scienza è costantemente in atto uno straordinario processo di una sorta di semplificazione, che consente di presentare in modo semplice e breve ciò che una volta richiedeva molti anni di lavoro.

Un tentativo estremamente interessante in questa direzione è stato fatto presso il California Institute of Technology (USA), abbreviato in CALTECH, dove un gruppo di professori e insegnanti, dopo numerose discussioni, ha sviluppato un nuovo programma di fisica generale, e uno dei partecipanti in questo gruppo, l'eminente fisico americano Richard Feynman, teneva conferenze.

Le conferenze di Feynman si distinguono per il fatto che sono rivolte a un ascoltatore vissuto nella seconda metà del XX secolo, che sa o ha già sentito molto. Pertanto, le lezioni frontali non perdono tempo nello spiegare in “linguaggio scientifico” ciò che è già noto. Ma raccontano in modo affascinante come una persona studia la natura che lo circonda, i confini raggiunti oggi nella conoscenza del mondo, quali problemi la scienza risolve oggi e risolverà domani.

Le lezioni furono tenute negli anni accademici 1961–1962 e 1962–1963; furono registrati su nastro e poi (e questo si rivelò di per sé un compito difficile) “tradotti” in “inglese scritto” dai professori M. Sands e R. Leighton. Questa “traduzione” unica conserva molte delle caratteristiche del discorso dal vivo del docente, la sua vivacità, le battute e le divagazioni. Tuttavia, questa qualità molto preziosa delle lezioni non era affatto quella principale e autosufficiente. Non meno importanti sono stati i metodi originali di presentazione del materiale creato dal docente, che riflettevano la brillante individualità scientifica dell'autore e il suo punto di vista sul modo di insegnare la fisica agli studenti. Questo, ovviamente, non è casuale. È noto che nei suoi lavori scientifici Feynman trovò sempre nuovi metodi, che molto rapidamente divennero generalmente accettati. Il lavoro di Feynman sull'elettrodinamica quantistica e sulla statistica gli ha procurato un ampio riconoscimento, e il suo metodo - i cosiddetti "diagrammi di Feynman" - è ora utilizzato in quasi tutte le aree della fisica teorica.

Qualunque cosa dicano di queste conferenze – sia che ne ammirino lo stile di presentazione o che si lamentino della rottura delle buone vecchie tradizioni – una cosa rimane indiscutibile: è necessario avviare esperimenti pedagogici. Probabilmente non tutti saranno d’accordo con il modo in cui l’autore presenta alcune questioni, e non tutti saranno d’accordo con la valutazione degli obiettivi e delle prospettive della fisica moderna. Ma questo stimolerà la comparsa di nuovi libri in cui si rifletteranno altri punti di vista. Questo è un esperimento

Ma la domanda non è solo cosa raccontare. Un’altra questione non meno importante è in quale ordine ciò dovrebbe essere fatto. La collocazione delle sezioni all'interno di un corso di fisica generale e la sequenza della presentazione sono sempre una questione condizionata. Tutte le parti della scienza sono così connesse tra loro che spesso è difficile decidere cosa dovrebbe essere presentato per primo e cosa dopo.

Tuttavia, nella maggior parte dei programmi universitari e dei libri di testo disponibili, alcune tradizioni sono ancora preservate.

Il rifiuto della consueta sequenza di presentazione è uno dei tratti distintivi delle lezioni di Feynman. Raccontano non solo di compiti specifici, ma anche del posto che la fisica occupa in una serie di altre scienze, dei modi di descrivere e studiare i fenomeni naturali. Probabilmente, i rappresentanti di altre scienze - ad esempio la matematica - non saranno d'accordo con il posto che Feynman assegna a queste scienze. Per lui, come fisico, la “sua” scienza, ovviamente, sembra la più importante. Ma questa circostanza non occupa molto spazio nella sua presentazione. Ma la sua storia riflette chiaramente le ragioni che spingono un fisico a svolgere il duro lavoro di ricercatore, così come i dubbi che sorgono quando si trova di fronte a difficoltà che sembrano ormai insormontabili.

Un giovane scienziato naturale non deve solo capire perché è interessante fare scienza, ma anche sentire a quale prezzo si ottengono le vittorie e quanto a volte siano difficili le strade che conducono ad esse.

Dalla prefazione ai lettori dell'edizione russa:
Tutti concordano sul fatto che la fisica è una delle scienze più interessanti. Allo stesso tempo, molti libri di testo di fisica non possono essere definiti interessanti. Tali libri di testo descrivono tutto ciò che segue il programma. Di solito spiegano quali benefici apporta la fisica e quanto sia importante studiarla, ma da loro molto raramente si riesce a capire perché studiare la fisica è interessante. Ma anche questo lato della questione merita attenzione. Come rendere un oggetto noioso allo stesso tempo interessante e moderno? Dovrebbero pensarci prima di tutto quei fisici che lavorano con passione e sanno trasmettere questa passione agli altri. Il momento della sperimentazione è già arrivato. Il loro obiettivo è trovare i modi più efficaci per insegnare la fisica, che trasferirebbero rapidamente a una nuova generazione l'intero bagaglio di conoscenze accumulato dalla scienza nel corso della sua storia. Anche trovare nuovi modi di insegnare è sempre stata una parte importante della scienza. L'insegnamento, seguendo lo sviluppo della scienza, deve cambiare continuamente le sue forme, rompere le tradizioni e cercare nuovi metodi. Un ruolo importante qui è giocato dal fatto che nella scienza è costantemente in atto uno straordinario processo di una sorta di semplificazione, che consente di presentare in modo semplice e breve ciò che una volta richiedeva molti anni di lavoro.

Un tentativo estremamente interessante in questa direzione è stato fatto presso il California Institute of Technology (USA), abbreviato in CALTECH, dove un gruppo di professori e insegnanti, dopo numerose discussioni, ha sviluppato un nuovo programma di fisica generale, e uno dei partecipanti in questo gruppo, l'eminente fisico americano Richard Feynman, teneva conferenze.

Le conferenze di Feynman si distinguono per il fatto che sono rivolte a un ascoltatore vissuto nella seconda metà del XX secolo, che sa o ha già sentito molto. Pertanto, le lezioni frontali non perdono tempo nello spiegare in “linguaggio scientifico” ciò che è già noto. Ma raccontano in modo affascinante come una persona studia la natura che lo circonda, i confini raggiunti oggi nella conoscenza del mondo, quali problemi la scienza risolve oggi e risolverà domani.

Le lezioni furono tenute negli anni accademici 1961-1962 e 1962-1963; furono registrati su nastro e poi (e questo si rivelò di per sé un compito difficile) “tradotti” in “inglese scritto” dai professori M. Sands e R. Leighton. Questa “traduzione” unica conserva molte delle caratteristiche del discorso dal vivo del docente, la sua vivacità, le battute e le divagazioni. Tuttavia, questa qualità molto preziosa delle lezioni non era affatto quella principale e autosufficiente. Non meno importanti sono stati i metodi originali di presentazione del materiale creato dal docente, che riflettevano la brillante individualità scientifica dell'autore e il suo punto di vista sul modo di insegnare la fisica agli studenti. Questo, ovviamente, non è casuale. È noto che nei suoi lavori scientifici Feynman trovò sempre nuovi metodi, che molto rapidamente divennero generalmente accettati. Il lavoro di Feynman sull'elettrodinamica quantistica e sulla statistica gli ha procurato un ampio riconoscimento, e il suo metodo - i cosiddetti "diagrammi di Feynman" - è ora utilizzato in quasi tutte le aree della fisica teorica.

Qualunque cosa dicano di queste conferenze – sia che ne ammirino lo stile di presentazione o che si lamentino della rottura delle buone vecchie tradizioni – una cosa rimane indiscutibile: gli esperimenti pedagogici devono iniziare. Probabilmente non tutti saranno d’accordo con il modo in cui l’autore presenta alcune questioni, e non tutti saranno d’accordo con la valutazione degli obiettivi e delle prospettive della fisica moderna. Ma questo stimolerà la comparsa di nuovi libri in cui si rifletteranno altri punti di vista. Questo è un esperimento Ma la domanda non è solo cosa raccontare. Un’altra questione non meno importante è in quale ordine ciò dovrebbe essere fatto.

La collocazione delle sezioni all'interno di un corso di fisica generale e la sequenza della presentazione sono sempre una questione condizionata. Tutte le parti della scienza sono così connesse tra loro che spesso è difficile decidere cosa dovrebbe essere presentato per primo e cosa dopo. Tuttavia, nella maggior parte dei programmi universitari e dei libri di testo disponibili, alcune tradizioni sono ancora preservate.

Il rifiuto della consueta sequenza di presentazione è uno dei tratti distintivi delle lezioni di Feynman. Raccontano non solo di compiti specifici, ma anche del posto che la fisica occupa in una serie di altre scienze, dei modi di descrivere e studiare i fenomeni naturali. Probabilmente, i rappresentanti di altre scienze - ad esempio la matematica - non saranno d'accordo con il posto che Feynman assegna a queste scienze. Per lui, come fisico, la “sua” scienza, ovviamente, sembra la più importante. Ma questa circostanza non occupa molto spazio nella sua presentazione. Ma la sua storia riflette chiaramente le ragioni che spingono un fisico a svolgere il duro lavoro di ricercatore, così come i dubbi che sorgono quando si trova di fronte a difficoltà che sembrano ormai insormontabili.

Un giovane scienziato naturale non deve solo capire perché è interessante fare scienza, ma anche sentire a quale prezzo si ottengono le vittorie e quanto a volte siano difficili le strade che conducono ad esse.

Bisogna anche tenere presente che se all'inizio l'autore ha fatto a meno dell'apparato matematico o ha utilizzato solo quello presentato a lezione, allora il lettore, man mano che va avanti, sarà chiamato ad aumentare le sue conoscenze matematiche. Tuttavia, l’esperienza dimostra che l’analisi matematica (almeno le sue basi) è ora più facile da imparare della fisica.

Chi trarrà beneficio da questo libro? Innanzitutto agli insegnanti che lo leggeranno integralmente: li spingerà a riflettere su come cambiare le loro attuali opinioni su come iniziare a insegnare la fisica. Successivamente, gli studenti lo leggeranno. Troveranno molte cose nuove oltre a ciò che impareranno durante le lezioni. Naturalmente anche gli scolari proveranno a leggerlo. Per la maggior parte di loro sarà difficile padroneggiare tutto, ma ciò che possono leggere e comprendere li aiuterà ad entrare nella scienza moderna, il cui percorso è sempre difficile, ma mai noioso. Chiunque non creda di poterlo superare non dovrebbe intraprendere lo studio di questo libro! E finalmente, tutti gli altri possono leggerlo. Leggi solo per divertimento. Anche questo è molto utile. Feynman, nella sua prefazione, non valuta molto bene i risultati del suo esperimento: una percentuale troppo piccola degli studenti che hanno seguito il suo corso ha imparato tutte le lezioni. Ma è così che dovrebbe essere. La prima esperienza raramente porta al successo completo. Le nuove idee all'inizio trovano sempre solo pochi sostenitori e solo gradualmente diventano familiari.

Capitolo 1

ATOMI IN MOVIMENTO

§ 1. Introduzione

§ 3. Processi atomici

§ 4. Reazioni chimiche

§ 1. Introduzione

Questo corso di fisica biennale è progettato affinché tu, lettore, diventi un fisico. Certo, questo non è così necessario, ma quale insegnante non lo spera! Se vuoi davvero diventare un fisico, dovrai lavorare sodo. Dopotutto, duecento anni di rapido sviluppo del più potente campo della conoscenza significano qualcosa! Una tale abbondanza di materiale, forse, non può essere padroneggiata in quattro anni; Dopodiché dovrai comunque seguire corsi speciali.

Eppure, l'intero risultato del colossale lavoro svolto in questi secoli può essere condensato, ridotto in un piccolo numero di leggi che riassumono tutta la nostra conoscenza. Tuttavia, anche queste leggi non sono facili da comprendere, e sarebbe semplicemente disonesto per te iniziare a studiare un argomento così difficile senza avere a portata di mano qualche diagramma, qualche schema della relazione di alcune parti della scienza con altre. I primi tre capitoli costituiscono un saggio di questo tipo. In questi capitoli conosceremo come la fisica è collegata alle altre scienze, come queste altre scienze si relazionano tra loro e cos'è la scienza stessa. Questo ci aiuterà a “sentire” l’argomento della fisica.

Potresti chiedere: perché non fornire immediatamente, nella prima pagina, le leggi fondamentali e poi mostrare solo come funzionano in condizioni diverse? Dopotutto, questo è esattamente ciò che fanno in geometria: formulano assiomi e poi non resta che trarre conclusioni. (Non è una cattiva idea: spiegare in 4 minuti ciò che non potresti spiegare in 4 anni.) Questo è impossibile per due motivi. Innanzitutto non conosciamo tutte le leggi fondamentali; al contrario, più impariamo, più i confini di ciò che dobbiamo sapere si espandono! In secondo luogo, la precisa formulazione delle leggi della fisica implica molte idee e concetti insoliti che richiedono una matematica altrettanto insolita per essere descritti. Ci vuole molta pratica solo per capire il significato delle parole. Quindi la tua proposta non passerà. Dovremo procedere gradualmente, passo dopo passo.

Ogni passo nello studio della natura è sempre solo un approccio alla verità, o meglio, a ciò che consideriamo essere la verità. Tutto ciò che apprendiamo è una sorta di approssimazione, perché sappiamo di non conoscere ancora tutte le leggi. Tutto è studiato solo per diventare di nuovo incomprensibile o, nella migliore delle ipotesi, per richiedere una correzione.

Il principio della scienza, quasi la sua definizione, è questo: la pietra di paragone di tutta la nostra conoscenza è l'esperienza. L’esperienza, l’esperimento è l’unico giudice della “verità” scientifica. Qual è la fonte della conoscenza? Da dove provengono le leggi che testiamo? Sì, dalla stessa esperienza; ci aiuta a derivare le leggi; ne contiene accenni. E oltre a ciò, abbiamo bisogno anche di immaginazione per vedere qualcosa di grande e importante dietro gli indizi, per indovinare l'immagine inaspettata, semplice e bella che si presenta dietro di essi, e poi realizzare un esperimento che ci convinca della verità. correttezza dell'ipotesi. Questo processo di immaginazione è così difficile che si verifica una divisione del lavoro: ci sono fisici teorici, che immaginano, scoprono e indovinano nuove leggi, ma non eseguono esperimenti, e ci sono fisici sperimentali, il cui compito è condurre esperimenti, immaginare, capire e indovinare.

Abbiamo detto che le leggi della natura sono approssimazioni; prima scoprono le leggi “sbagliate” e poi scoprono quelle “corrette”. Ma come può un’esperienza essere “sbagliata”? Bene, in primo luogo, per il motivo più semplice: quando qualcosa non va nei tuoi dispositivi e non te ne accorgi. Ma un errore del genere è facile da individuare, devi solo controllare e controllare tutto. Ebbene, se non si fa attenzione alle piccole cose, i risultati dell’esperimento possono comunque essere errati? Possono, a causa della mancanza di precisione. Ad esempio, la massa di un oggetto sembra essere costante; Una trottola pesa quanto una che sta ferma. Ecco la “legge” per te: la massa è costante e non dipende dalla velocità. Ma questa “legge”, a quanto pare, non è corretta. Si è scoperto che la massa aumenta con l'aumentare della velocità, ma solo per una crescita notevole sono necessarie velocità vicine alla luce. La legge corretta è questa: se la velocità di un oggetto è inferiore a 100 km/sec, la massa è costante con una precisione di un milionesimo. Questa legge è approssimativamente corretta in questa forma approssimativa. Si potrebbe pensare che non vi sia praticamente alcuna differenza significativa tra la vecchia legge e quella nuova. Sì e no. Per le velocità ordinarie potete dimenticare le riserve e, con buona approssimazione, considerare una legge l'affermazione che la massa è costante. Ma alle alte velocità inizieremo a commettere errori, e maggiore è la velocità, tanto più.

Ma la cosa più notevole è che da un punto di vista generale qualsiasi legge approssimativa è assolutamente sbagliata. La nostra visione del mondo richiederà una revisione anche quando la massa cambierà anche di poco. Questa è una proprietà caratteristica del quadro generale del mondo che sta dietro le leggi. Anche un effetto minore a volte richiede un profondo cambiamento nelle nostre opinioni.

Quindi cosa dovremmo studiare prima? Dovremmo insegnare leggi corrette ma insolite con i loro concetti strani e difficili, come la teoria della relatività, lo spazio-tempo quadridimensionale, ecc.? Oppure dovremmo iniziare dalla semplice legge della “massa costante”? Sebbene sia vicino, fa a meno delle idee difficili. Il primo è senza dubbio più gradevole ed attraente; Il primo è molto allettante, ma è più facile iniziare con il secondo, e quindi questo è il primo passo verso una comprensione più profonda dell'idea giusta. Questa domanda si pone continuamente quando si insegna fisica. Lo affronteremo in modo diverso nelle diverse fasi del corso, ma in ogni fase cercheremo di esporre ciò che è attualmente noto e con quale accuratezza, come si adatta al resto e cosa potrebbe cambiare man mano che ne impareremo di più.

Passiamo al nostro schema, a uno schema della nostra comprensione della scienza moderna (in primo luogo la fisica, ma anche altre scienze correlate), in modo che quando poi dovremo approfondire varie questioni, possiamo vedere cosa sta alla base di esse, perché sono interessanti e come si inseriscono nella struttura generale.

Allora, come appare l’immagine del mondo?

§ 2. La materia è composta di atomi

Se, a seguito di una catastrofe globale, tutta la conoscenza scientifica accumulata venisse distrutta e solo una frase venisse tramandata alle future generazioni di esseri viventi, quale affermazione, composta da meno parole, porterebbe più informazioni? Credo che questa sia l'ipotesi atomica (non puoi chiamarla un'ipotesi, ma un fatto, ma questo non cambia nulla): tutti i corpi sono costituiti da atomi - piccoli corpi che sono in continuo movimento, si attraggono a breve distanza, ma si respingono se uno di loro preme più forte contro l'altro. Questa frase, come vedrai, contiene un'incredibile quantità di informazioni sul mondo, devi solo applicare un po' di immaginazione e un po' di riflessione.

Per mostrare la potenza dell'idea di un atomo, immaginiamo una goccia d'acqua di 0,5 cm di dimensione. Se la osserviamo da vicino, non vedremo altro che acqua, acqua calma e continua. Anche sotto il miglior microscopio ottico con ingrandimento 2000x, quando la goccia assumerà le dimensioni di una grande stanza, vedremo ancora acqua relativamente calma, a meno che alcuni “palloni da calcio” non inizino a sfrecciare attraverso di essa. Questi parameci sono una cosa molto interessante. A questo punto potete soffermarvi e prendervi cura dei parameci, delle sue ciglia, osservare come si contrae e si apre, e rinunciare ad un ulteriore allargamento (a meno che non vogliate esaminarlo dall'interno). La biologia si occupa di parameci, noi passeremo davanti a loro e, per vedere ancora meglio l'acqua, la ingrandiremo ancora 2000 volte. Ora il dislivello crescerà fino a 20 km e vedremo qualcosa che brulica al suo interno; ora non è più così calmo e solido, ora assomiglia alla folla in uno stadio il giorno di una partita di calcio vista dall'alto. Di cosa è pieno questo? Per avere una visione migliore, ingrandiamolo altre 250 volte. I nostri occhi vedranno qualcosa di simile alla Fig. 1.1.

Fico. 1.1. Una goccia d'acqua (ingrandita un miliardo di volte).

Questa è una goccia d'acqua, ingrandita un miliardo di volte, ma, ovviamente, questa immagine è relativa. Innanzitutto, le particelle qui sono rappresentate in modo semplificato, con spigoli vivi: questa è la prima imprecisione. Per semplicità si trovano su un piano, ma in realtà vagano in tutte e tre le dimensioni: questa è la seconda cosa. La figura mostra "macchie" (o cerchi) di due tipi: nera (ossigeno) e bianca (idrogeno); Si può vedere che a ciascun ossigeno sono attaccati due idrogeni. (Un tale gruppo formato da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno è chiamato molecola.) Infine, la terza semplificazione è che le particelle reali in natura si agitano e rimbalzano costantemente, torcendosi e girandosi l'una attorno all'altra. Dovresti immaginare nella foto non il riposo, ma il movimento. La figura inoltre non può mostrare come le particelle “si attaccano l'una all'altra”, si attraggono, si attaccano l'una all'altra, ecc. Possiamo dire che interi gruppi di esse sono “incollati insieme” da qualcosa. Tuttavia, nessuno dei due corpi è in grado di insinuarsi nell’altro. Se provi a forzare l'uno contro l'altro, si allontaneranno.

Il raggio di un atomo è circa 1 o 2 per 10 -8 cm. Il valore 10 -8 cm è un angstrom, quindi il raggio di un atomo è 1 o 2 angstrom (A). Ecco un altro modo...