Красота – понятие туманное, однако нет сомнений в том, что именно она служит источником вдохновения ученых. В некоторых случаях, когда дальнейший путь не ясен, именно математическая красота и изящество ведут ученых к истине. Физик интуитивно чувствует, что природа предпочитает красивые “решения” некрасивым. До сих пор это убеждение, несмотря на его субъективизм, служило надежным и могущественным спутником физиков. Однажды в беседе с Эйнштейном Гейзенберг заметил:
Если природа приводит нас к математическим выражениям необычайно простым и красивым... которые ранее не встречались, то мы невольно воспринимали их как “истинные” и считаем, что они открывают то или иное свойство природы.
Затем Гейзенберг пустился в рассуждения о “почти пугающей простоте и цельности соотношений, которые природа внезапно открывает перед нами”, – эта тема волновала многих его современников. Поль Дирак, пойдя еще дальше, провозгласил: “Красота уравнений важнее, чем их согласие с экспериментом”. Дирак имел в виду, что игра творческого воображения может привести к созданию теории, столь привлекательной, что физики отринут всякие сомнения в ее истинности, прежде чем теория будет подвергнута экспериментальной проверке, и не отвергнут ее даже столкнувшись с казалось бы, противоречащими ей экспериментальными данными.
Ту же мысль проводит и популяризатор науки Ричард Моррис в своей замечательной книге “Разоблачение Вселенной”:
Между наукой и искусством существует множество параллелей, которые сразу же бросаются в глаза. Подобно художникам, каждый ученый имеет свой неповторимый стиль. Представления ученых о том, какой должна быть хорошая научная теория, удивительно схожи с аналогичными воззрениями представителей искусства... Корректней считается та теория, которая предположительно допускает экспериментальную проверку. Тем не менее в некоторых случаях научная интуиция способна предугадать правильность теории еще до проведения ее экспериментальной проверки. Эйнштейн (как и многие другие физики) верил в истинность специальной теории относительности, даже когда, эксперименты, казалось бы, противоречили ей.
Моррис рассказывает, как Эйнштейн реагировал на известие о том, что решающее предсказание его общей теории относительности получило подтверждение при астрономических наблюдениях. Эйнштейн отнесся к сообщению совершенно безучастно, и когда его спросили, как бы он отреагировал, если бы результаты противоречили его теории, ответил: “Мне было бы жалко Господа Бога, ведь теория то правильная”.
Объяснить людям, далеким от математики, что такое математическое изящество, трудно, но я все таки попытаюсь. Взгляните на кривую, изображенную на рис. 6. Хотя она гладкая и не имеет никаких особенностей, кривую отнюдь не сразу поставишь в соответствие чему либо, известному из повседневной жизни. Если бы вас попросили запомнить кривую и при случае точно воспроизвести ее, задача оказалась бы безнадежной. Вы легко могли бы воспроизвести, скажем, окружность или какую нибудь белее сложную, но легко узнаваемую кривую, например эллипс (который представляет собой не что иное, как окружность, рассматриваемую под некоторым углом); однако кривая на рис. 6 обладает более сложной структурой, чем окружность: и наклон касательной к ней, и кривизна кривой изменяются вдоль нее по определенному закону, который тем не менее трудно установить точно.
Рис.6.Экспонента. Форма этой кривой отражает важные математические особенности, характерные для широкого круга физических явлений. Представленная в виде графика экспонента может, например, описывать неограниченный рост народонаселения.
Что же касается математика, то он без труда опознает эту кривую, и ему известно, как "за кодировать" все ее свойства, чтобы легко вспомнить их и воспроизвести с любой степенью точности, если это понадобится. В действительности эта кривая представляет график так называемой экспоненциальной функции, или экспоненты, которая математически записывается как е^x и часто встречается в самых различных задачах. Математику хорошо известно, что эту функцию можно вывести из формулы (1 + х/n)^n в пределе, когда п становится бесконечно большим, и поэтому, вооружившись микрокалькулятором, он может вычислить координаты каждой точки на графике с любой требуемой точностью.
“Экспоненциальная функция – одно из самых изящных соотношений, известных человеку”, – утверждает математик. Почему?
Предположим, что нас интересует наклон кривой в каждой ее точке. Сначала кривая идет очень полого, а по мере продвижения слева направо становится все круче. Построим график, но не самой экспоненциальной функции, а угла наклона касательной к ней. Как он выглядит? Оказывается, совпадает с графиком самой экспоненциальной функции. Экспонента – это такая функция, значение которой в любой точке совпадает с углом наклона касательной к ней в этой точке (или по крайней мере пропорционально ему). Именно поэтому экспоненциальная функция играет столь важную роль при описании простых форм роста, например, неограниченного размножения популяции, градиент (мера скорости роста) которой пропорционален численности самой популяции. В некоторых районах земного шара эта зависимость примерно справедлива и применительно к росту народонаселения.
В экспоненциальной кривой можно обнаружить скрытую красоту и другого рода. Взгляните на кривую, изображенную на рис. 7. Она напоминает нам нечто знакомое: волну. В математике ее называют синусоидой и обозначают sin x; эту кривую можно задать и алгебраически, вычисляя по формуле.
На первый взгляд синусоида имеет весьма отдаленное сходство с экспонентой. Синусоида периодична: подъемы на графике регулярно чередуются со спадами, тогда как экспоненциальная кривая непрерывно и все быстрее возрастает. Связь между этими двумя кривыми обнаружится, если начертить график градиента синусоиды: мы получим другую синусоиду, смещенную на четверть длины волны вправо относительно первой. Эта кривая называется косинусоидой. Построив график угла наклона касательной косинусоиды, мы сдвинем последнюю еще на четверть длины волны вправо и получим кривую, совпадающую с первой синусоидой, только перевернутой. Проделав такую операцию еще два раза, мы вернемся к исходной кривой. Таким образом, экспонента и синусоида (или косинусоида) обладают одним общим важным свойством симметрии, устанавливающим связь между формой самой кривой и формой кривой, описывающей угол наклона касательной к ней (градиент).
Рис.7.Синусоида. Характерной форме этой кривой соответствуют математические свойства, тесно связанные со свойствами экспоненциальной кривой, изображенной на рис. 6. Синусоида описывает широкий круг физических явлений, включая волновое движение и периодические колебания.
Эта глубокая связь между е^x и sin x полностью выявляется в теории комплексных чисел, где обычная система чисел обобщается и включает квадратные корни из отрицательных чисел. Оказывается, что когда x – квадратный корень из отрицательного числа, е^x становится смесью двух волн – синусоидальной и косинусоидальной. Теперь уже не приходится удивляться, что физические системы, поведение которых описывается экспонентой, способны проявлять и периодическое, “синусоидальное”, поведение. Примером такой системы может служить так называемый гармонический осциллятор, скажем, маятник или просто масса, прикрепленная к пружине. Если массу слегка отклонить от состояния равновесия, то она начнет колебаться взад вперед в результате периодического воздействия пружины. Положение массы в зависимости от времени будет изменяться по синусоиде, изображенной на рис. 7. Такое движение массы определяется законом изменения силы натяжения пружины. Величина этой силы прямо пропорциональна смещению массы из положения равновесия, а направление таково, что она пытается вернуть массу в положение равновесия: если пружина растянута, то сила создает притяжение, если пружина сжата – отталкивание.
Предположим теперь, что сила, изменяющаяся по тому же закону, была бы направлена не к положению равновесия, а от него. Поведение системы в этом случае оказалось бы совершенно Другим. Отклонение массы от равновесия нарастало бы по экспоненте, масса разгонялась бы все быстрее в одном и том же направлении. С пружинами такое невозможно, а в других системах случается. Иногда система в одних условиях колеблется по синусоидальному закону, а в других срывается в экспоненциальный режим.
Умение находить с помощью математического анализа скрытые соотношения и симметрии, подобные, описанным выше, характеризует профессиональное мастерство физиков. Нередко более тонкие симметрии удается обнаружить, только коренным образом изменив математическое описание. Так произошло при переходе от птолемеевой космологии к ньютоновской механике, гораздо позднее – и с самой ньютоновской механикой.
В XIX в. законы Ньютона были математически полностью переформулированы французским физиком Жозефом Луи Лагранжем и ирландским физиком Уильямом Роуэном Гамильтоном. И тот и другой видоизменили математическое описание с тем, чтобы подчеркнуть простоту и изящество, заключенные в механике Ньютона. В работе Гамильтона, в частности, неожиданно оказался предвестник квантовой революции, которой предстояло опрокинуть всю классическую физику. Но до этого было еще далеко.
Основная проблема механики состоит в том, чтобы понять, описать и предсказать траектории (пути), по которым движутся материальные частицы под воздействием приложенных сил. Эти траектории, очевидно, имеют самый различный вид в зависимости от характера действующих сил. Задача о путях распространения в прозрачной среде световых лучей на первый взгляд кажется другой. Свет не подчиняется законам механики Ньютона, хотя хорошо известно, что при прохождении через среду с изменяющейся плотностью световые лучи искривляются. Например, нам кажется, что погруженная в пруд палка имеет излом в том месте, где входит в воду. Дело в том, что световые волны замедляются в плотных средах, и вторичные волны, исходящие из различных точек волнового фронта, встречая на своем пути участки среды с различной плотностью, образно говоря, “сбиваются с шага”: одни идут медленнее, другие быстрее. В большинстве случаев световой луч в конечном счете распространяется по пути, на котором от точки к точке затрачивается наименьшее время. Таким образом, поведение светового луча можно понять на основе теории волн, которые распространяются со скоростью, изменяющейся в зависимости от свойств среды, через которую они проходят.
Изменив математическую формулировку механики Ньютона, Гамильтон заметил, что наиболее сжатое выражение законов движения содержится в математическом соотношении, тождественном принципу минимального времени распространения световых волн. Грубо говоря, частицы стремятся переходить отточки к точке по наиболее легкому пути, т.е. с наименьшим сопротивлением, который в большинстве случаев оказывается и кратчайшим, т.е. требующим наименьших затрат времени. Тем самым было установлено, что материальные частицы и световые волны, несмотря на различие их характера и поведения, с математической точки зрения распространяются более или менее одинаковым образом.
Этот поразительный результат, полученный исключительно при попытке записать законы механики в новой математической форме, обнаруживает глубокую гармонию в природе, которая наводит на мысль, что в природе должны действовать и другие скрытые принципы. Взглянув ретроспективно, мы видим теперь, в чем состоят эти принципы. Тесная взаимосвязь между движением частиц и распространением световых волн указывает на то, что с материальными частицами могут связываться и некоторые волновые свойства. “Волны материи”, о которых мы упоминали в гл. 2 и 3, послужили отправным пунктом развития квантовой теории. Таким образом, математическая оптика Гамильтона, которая первоначально казалась лишь жонглированием математическими символами, предстает перед нами в новом свете – как провозвестник новой волновой теории материи.
|
