Feynman wykłada z fizyki. „Symetria w prawach fizycznych”

Rozdział 1

Atomy w ruchu

§ 1. Wstęp

§ 3. Procesy atomowe

§ 4. Reakcje chemiczne

§ 1. Wstęp

Ten dwuletni kurs fizyki ma na celu zapewnienie, że Ty, Czytelniku, wkrótce zostaniesz fizykiem. Przypuśćmy, że nie jest to konieczne, ale jaki nauczyciel nie ma na to nadziei! Jeśli naprawdę chcesz być fizykiem, musisz ciężko pracować. W końcu dwieście lat szybkiego rozwoju najpotężniejszej dziedziny wiedzy coś znaczy! Być może takiej obfitości materiału nie da się opanować w cztery lata; po tym nadal musisz uczęszczać na specjalne kursy.

A jednak cały wynik kolosalnej pracy wykonanej przez te stulecia można skondensować - sprowadzić do niewielkiej liczby praw, które podsumowują całą naszą wiedzę. Jednak te prawa również nie są łatwe do nauczenia i byłoby po prostu nieuczciwe, gdybyś zaczął studiować tak trudny przedmiot, nie mając pod ręką jakiegoś schematu, jakiegoś zarysu relacji niektórych dziedzin nauki z innymi. Zarys taki tworzą trzy pierwsze rozdziały. W tych rozdziałach zapoznamy się z tym, jak fizyka jest związana z resztą nauk, jak te inne nauki mają się do siebie i czym jest sama nauka. Pomoże nam to „poczuć” przedmiot fizyki.

Pytasz: dlaczego nie od razu, na pierwszej stronie, nie przedstawić podstawowych praw, a dopiero potem pokazać, jak działają w różnych warunkach? W końcu to właśnie robią w geometrii: formułują aksjomaty, a potem pozostaje tylko wyciągać wnioski. (Niezły pomysł: zaprezentować w 4 minuty coś, czego nie da się opanować przez 4 lata.) Jest to niemożliwe z dwóch powodów. Po pierwsze, nie znamy wszystkich podstawowych praw; wręcz przeciwnie, im więcej się uczymy, tym bardziej rozszerzają się granice tego, co musimy wiedzieć! Po drugie, precyzyjne sformułowanie praw fizyki wiąże się z wieloma niezwykłymi pomysłami i koncepcjami, które do ich opisania wymagają równie niezwykłej matematyki. Samo zrozumienie znaczenia słów wymaga dużo praktyki. Więc twoja propozycja nie przejdzie. Będziemy musieli działać stopniowo, krok po kroku.

Każdy krok w badaniu przyrody jest zawsze tylko przybliżeniem do prawdy, a raczej do tego, co uważamy za prawdziwe. Wszystko, czego się uczymy, jest pewnego rodzaju przybliżeniem, ponieważ wiemy, że nie znamy wszystkich praw. Wszystko jest badane tylko po to, aby znów stać się niezrozumiałe lub w najlepszym razie wymagać korekty.

Zasada nauki, prawie jej definicja, jest taka: kamieniem probierczym całej naszej wiedzy jest doświadczenie. Doświadczenie, eksperyment to jedyny sędzia naukowej „prawdy”. A jakie jest źródło wiedzy? Skąd pochodzą prawa, które testujemy? Tak z tego samego doświadczenia; pomaga nam wydedukować prawa, kryją się w nim wskazówki. A poza tym potrzebna jest też wyobraźnia, by za podpowiedziami dostrzec coś wielkiego i ważnego, odgadnąć stojący za nimi nieoczekiwany, prosty i piękny obraz, a następnie przeprowadzić eksperyment, który przekonałby nas o słuszności odgadnąć. Ten proces wyobraźni jest tak trudny, że istnieje podział pracy: są fizycy teoretyczni, wyobrażają sobie, myślą i odgadują nowe prawa, ale nie inscenizują eksperymentów, i są fizycy eksperymentalni, których zajęciem jest eksperymentowanie, wyobrażanie sobie, myślenie i odgadnąć.

Powiedzieliśmy, że prawa natury są przybliżeniami; najpierw odkrywane są "złe" prawa, a potem "poprawne". Ale jak doświadczenie może być „złe”? Cóż, po pierwsze z najprostszego powodu: kiedy coś jest nie tak z twoimi urządzeniami, a ty tego nie zauważasz. Ale taki błąd jest łatwy do wyłapania, wystarczy wszystko sprawdzić i zweryfikować. Cóż, jeśli nie znajdziesz błędów w drobiazgach, czy wyniki eksperymentu nadal mogą być błędne? Mogą, z powodu braku dokładności. Na przykład masa obiektu wydaje się być niezmieniona; bączek waży tyle co bączek. Więc „prawo” jest gotowe: masa jest stała i nie zależy od prędkości. Ale to „prawo”, jak się okazuje, jest błędne. Okazało się, że masa rośnie wraz ze wzrostem prędkości, ale tylko do zauważalnego wzrostu potrzebne są prędkości zbliżone do światła. Prawidłowe prawo jest takie: jeśli prędkość obiektu jest mniejsza niż 100 km/s, masa jest stała z dokładnością do jednej milionowej. W przybliżeniu w tej przybliżonej formie to prawo jest prawdziwe. Można by pomyśleć, że praktycznie nie ma znaczącej różnicy między starym a nowym prawem. Tak i nie. Przy zwykłych prędkościach można zapomnieć o zastrzeżeniach i z dużym przybliżeniem uznać za prawo twierdzenie, że masa jest stała. Ale dalej wysokie prędkości zaczniemy popełniać błędy, a im więcej, tym większa prędkość.

Ale najwspanialszą rzeczą jest to, że z wspólny punkt pogląd, każde przybliżone prawo jest całkowicie błędne. Nasz pogląd na świat będzie wymagał rewizji, nawet gdy masa zmieni się choćby kroplą. Jest to charakterystyczna właściwość ogólnego obrazu świata, który stoi za prawami. Nawet niewielki efekt wymaga czasami głębokiej zmiany naszych poglądów.

Czego więc musimy się najpierw nauczyć? Czy powinniśmy uczyć poprawnych, ale niezwykłych praw z ich dziwnymi i trudnymi koncepcjami, na przykład teorii względności, czterowymiarowej czasoprzestrzeni itp.? A może zacząć od prostego prawa „stałej masy”? Choć jest przybliżony, radzi sobie bez trudnych pomysłów. Pierwsza jest niewątpliwie przyjemniejsza, atrakcyjniejsza; pierwszy jest bardzo kuszący, ale drugi jest łatwiejszy do rozpoczęcia, a następnie jest pierwszym krokiem w kierunku głębszego zrozumienia właściwego pomysłu. To pytanie pojawia się cały czas, kiedy uczysz fizyki. Na różnych etapach kursu będziemy go rozwiązywać na różne sposoby, ale na każdym etapie postaramy się nakreślić to, co jest już znane i z jaką precyzją, jak to współgra z resztą i co może się zmienić, gdy dowiemy się o tym więcej.

Przejdźmy teraz do naszego schematu, do zarysu naszego rozumienia współczesnej nauki (przede wszystkim fizyki, ale także innych nauk jej bliskich), tak że gdy później będziemy musieli zagłębić się w różne zagadnienia, będziemy mogli zobaczyć, na czym polega ich podstawy, dlaczego są interesujące i jak się do nich wpisują struktura ogólna.

Jak więc wygląda obraz świata?

§ 2. Substancja składa się z atomów

Jeśli w wyniku jakiejś światowej katastrofy wszystkie nagromadzone wiedza naukowa zostałaby zniszczona i tylko jedna fraza przekazałaby przyszłym pokoleniom żywych istot, to które zdanie, złożone z najmniejszej liczby słów, przyniosłoby najwięcej informacji? Uważam, że jest to hipoteza atomowa (można to nazwać nie hipotezą, ale faktem, ale to niczego nie zmienia): wszystkie ciała zbudowane są z atomów - małe ciała, które są w ciągłym ruchu, przyciągają się na niewielką odległość , ale odpychaj, jeśli jedno z nich jest mocniej dociśnięte do drugiego. To jedno zdanie, jak zobaczysz, zawiera niesamowitą ilość informacji o świecie, wystarczy włożyć w to trochę wyobraźni i przemyśleć.

Aby pokazać siłę idei atomu, wyobraź sobie kroplę wody o wielkości 0,5 cm, jeśli przyjrzymy się jej uważnie, nie zobaczymy nic poza wodą, spokojną, stałą wodą. Nawet pod najlepszym mikroskopem optycznym przy powiększeniu 2000x, gdy kropla przybierze rozmiary dużego pomieszczenia, nadal będziemy widzieć stosunkowo spokojną wodę, chyba że zacznie nad nią przelatywać jakaś „piłka nożna”. Ta Paramecia to bardzo ciekawa rzecz. W tym momencie możesz ociągać się i radzić sobie z pantofelkiem, jego rzęskami, obserwować, jak kurczy się i rozluźnia, i machać ręką, aby dalej rosnąć (chyba że chcesz spojrzeć na niego od środka). Biologia zajmuje się pantofelkiem, a my przechodzimy obok nich i aby lepiej widzieć wodę, ponownie ją zwiększymy 2000 razy. Teraz spadek wzrośnie do 20 km i zobaczymy, jak coś się w nim roi; teraz nie jest już tak spokojna i solidna, teraz przypomina tłum na stadionie w dniu meczu piłki nożnej z lotu ptaka. Czym się to roi? Aby lepiej się przyjrzeć, powiększmy kolejne 250 razy. Zobaczymy coś podobnego do ryc. 1.1.

FIGA. 1.1. Kropla wody (powiększona miliard razy).

To kropla wody, miliard razy powiększona, ale oczywiście ten obraz jest warunkowy. Przede wszystkim cząstki pokazane są tutaj w sposób uproszczony, z ostrymi krawędziami – to pierwsza niedokładność. Dla uproszczenia znajdują się na płaszczyźnie, ale w rzeczywistości wędrują we wszystkich trzech wymiarach - to jest drugi. Rysunek przedstawia „plamki” (lub kółka) dwóch odmian - czarnej (tlen) i białej (wodór); widać, że do każdego tlenu przyłączone są dwa wodory. (Taka grupa tlenu i dwóch atomów wodoru nazywana jest cząsteczką.) Wreszcie trzecie uproszczenie polega na tym, że prawdziwe cząsteczki w naturze nieustannie drżą i podskakują, wirują i krążą wokół siebie. Musisz sobie wyobrazić na zdjęciu nie odpoczynek, ale ruch. Rysunek nie może też pokazać, jak cząstki „sklejają się”, przyciągają, sklejają jedna do drugiej itd. Można powiedzieć, że całe ich grupy są w jakiś sposób „sklejone”. Jednak żadne z małych ciał nie jest w stanie przecisnąć się przez drugie. Jeśli spróbujesz na siłę docisnąć jedno do drugiego, odepchną się.

Promień atomów jest w przybliżeniu równy 1 lub 2 na 10-8 cm. Wartość 10-8 cm to angstrem, więc promień atomu wynosi 1 lub 2 angstremy (A). Oto inny sposób ...

Do czytelników wydania rosyjskiego

Są to wykłady z fizyki ogólnej prowadzone przez fizyka teoretycznego. Wcale nie przypominają żadnego innego znanego kursu. Może to zabrzmieć dziwnie: podstawowe zasady fizyka klasyczna, a nie tylko klasyczne, ale także kwantowe, od dawna ustalone, kurs fizyka ogólna przeczytaj na całym świecie w tysiącach instytucje edukacyjne przez wiele lat i nadszedł czas, aby zmienił się w standardową sekwencję znane fakty i teorie, jak na przykład elementarna geometria w szkole. Jednak nawet matematycy uważają, że ich nauk ścisłych należy nauczać inaczej. A o fizyce nie ma co mówić: rozwija się ona tak intensywnie, że nawet najlepsi nauczyciele cały czas napotykają wielkie trudności, gdy muszą opowiadać uczniom o współczesnej nauce. Narzekają, że muszą złamać to, co powszechnie nazywa się starymi lub znanymi wierzeniami. Ale skąd biorą się znane pojęcia? Zwykle wpadają do młodych głów w szkole od tych samych nauczycieli, którzy potem będą mówić o niedostępności idei współczesnej nauki. Dlatego zanim dotrzemy do sedna sprawy, trzeba poświęcić dużo czasu na przekonanie słuchaczy o fałszywości tego, co wcześniej wpajano im jako oczywistą i niezmienną prawdę. Byłoby szaleństwem najpierw powiedzieć uczniom „dla uproszczenia”, że Ziemia jest płaska, a potem, jako odkrycie, zgłosić jej kulistość. Czy jest tak daleko od tego absurdalnego przykładu, że ścieżka, którą wkraczają przyszli specjaliści? nowoczesny świat idee teorii względności i kwantów? Sprawę komplikuje również fakt, że w przeważającej części wykładowcą i słuchaczami są ludzie różnych pokoleń, a wykładowcy bardzo trudno uniknąć pokusy prowadzenia słuchaczy znaną i rzetelną drogą, po której on sam po osiągnięciu pożądanych wysokości. Jednak stara droga nie zawsze jest najlepsza. Fizyka rozwija się bardzo szybko i aby za nią nadążyć, konieczna jest zmiana sposobów jej studiowania. Wszyscy zgadzają się, że fizyka jest jedną z najważniejszych ciekawe nauki... Jednocześnie wiele podręczników do fizyki wcale nie jest interesujących. W takich podręcznikach znajduje się wszystko, co następuje po programie. Zwykle wyjaśnia korzyści płynące z fizyki i jak ważne jest jej studiowanie, ale dzięki nim bardzo rzadko można zrozumieć, dlaczego uprawianie fizyki jest interesujące. Ale ta strona sprawy również zasługuje na uwagę. Jak sprawić, by nudny temat był zarówno interesujący, jak i nowoczesny? Powinni o tym pomyśleć przede wszystkim ci fizycy, którzy sami pracują z zapałem i potrafią przekazać tę pasję innym. Czas na eksperymenty już nadszedł. Ich celem jest znalezienie jak najwięcej skuteczne sposoby nauczanie fizyki, które umożliwiłoby szybkie przekazanie nowemu pokoleniu całego zasobu wiedzy, jaki nauka zgromadziła w swojej historii. Znalezienie nowych sposobów nauczania zawsze było ważną częścią nauki. Nauczanie, podążając za rozwojem nauki, musi nieustannie zmieniać swoje formy, łamać tradycje, szukać nowych metod. Istotną rolę odgrywa tu fakt, że w nauce cały czas zachodzi zdumiewający proces pewnego rodzaju uproszczenia, który pozwala w prosty i zwięzły sposób nakreślić to, co kiedyś wymagało wielu lat pracy.

Niezwykle ciekawą próbę w tym kierunku podjęto w Kalifornii Instytut Technologii(USA), w skrócie KALTECH, gdzie grupa profesorów i nauczycieli po licznych dyskusjach opracowała nowy program z fizyki ogólnej, a jeden z członków tej grupy, wybitny fizyk amerykański Richard Feynman, wygłaszał wykłady.

Wykłady Feynmana wyróżnia to, że adresowane są do słuchacza żyjącego w drugiej połowie XX wieku, który już dużo wie lub słyszał. Dlatego na wykładach nie traci się czasu na wyjaśnianie w „wyuczonym języku” tego, co jest już znane. Ale fascynująco opowiadają o tym, jak człowiek studiuje otaczającą go przyrodę, o osiąganych dziś granicach w wiedzy o świecie, o tym, jakie problemy nauka rozwiąże dziś i rozwiąże jutro.

Wykłady wygłoszono w latach 1961-1962 i 1962-1963 lata akademickie; zostały nagrane na magnetofonie, a następnie (co samo w sobie okazało się trudnym zadaniem) „przetłumaczone” na „pisemny angielski” przez profesorów M. Sandsa i R. Leightona. Ten rodzaj „przekładu” zachowuje wiele cech żywej mowy wykładowcy, jej żywość, żarty, dygresje. Jednak ta bardzo cenna cecha wykładów nie była bynajmniej główną i samowystarczalną cechą. Nie mniej ważne były oryginalne metody prezentacji materiału stworzone przez wykładowcę, które odzwierciedlały błyskotliwą indywidualność naukową autora, jego punkt widzenia na drodze nauczania fizyki studentów. To oczywiście nie jest przypadkowe. Wiadomo, że w ich prace naukowe Feynman zawsze znajdował nowe metody, które bardzo szybko stały się powszechnie akceptowane. Prace Feynmana nad elektrodynamiką kwantową i statystyką przyniosły mu szerokie uznanie, a jego metoda – tak zwane „diagramy Feynmana” – jest obecnie stosowana w prawie wszystkich dziedzinach fizyki teoretycznej.

Bez względu na to, co mówią o tych wykładach – zachwycali się stylem prezentacji lub lamentowali nad zerwaniem starych dobrych tradycji – jedno pozostaje bezdyskusyjne: musimy zacząć doświadczenia pedagogiczne... Zapewne nie wszyscy zgodzą się z autorskim sposobem przedstawienia pewnych zagadnień, nie wszyscy zgodzą się z oceną celów i perspektyw współczesna fizyka... Ale będzie to zachęta do pojawiania się nowych książek, które będą odzwierciedlać inne poglądy. To jest eksperyment.

Ale nie chodzi tylko o to, co powiedzieć. Nie mniej ważne jest kolejne pytanie - w jakiej kolejności należy to zrobić. Lokalizacja sekcji w ramach kursu fizyki ogólnej i kolejność prezentacji jest zawsze kwestią warunkową. Wszystkie dziedziny nauki są ze sobą tak powiązane, że często trudno jest zdecydować, co należy przedstawić najpierw, a co później.

Jednak w większości programów uniwersyteckich i dostępnych podręcznikach pewne tradycje są nadal zachowane.

Odrzucenie zwykłej kolejności prezentacji jest jednym z cechy charakterystyczne Wykłady Feynmana. Opowiadają nie tylko o specyficzne zadania, ale także o miejscu, jakie fizyka zajmuje w wielu innych naukach, o sposobach opisywania i badania zjawisk przyrodniczych. Zapewne przedstawiciele innych nauk – powiedzmy matematycy – nie zgodzą się z miejscem, jakie Feynman nadaje tym naukom. Dla niego, jako fizyki, „jego” nauka oczywiście wydaje się najważniejsza. Ale ta okoliczność nie zajmuje dużo miejsca w jego prezentacji. Z drugiej strony jego historia wyraźnie odzwierciedla powody, które skłaniają fizyka do ciężkiej pracy badacza, a także wątpliwości, jakie pojawiają się w obliczu trudności, które obecnie wydają się nie do pokonania.

Młody przyrodnik musi nie tylko zrozumieć, dlaczego nauka jest ciekawa, ale także poczuć, jakim kosztem odnosi się zwycięstwa i jak czasami drogi do nich prowadzące są trudne.

Należy również pamiętać, że jeśli autor najpierw zrezygnował z aparatu matematycznego lub wykorzystał tylko ten, który jest prezentowany na wykładach, to czytelnik idąc do przodu będzie musiał powiększać swój bagaż matematyczny. Doświadczenie pokazuje jednak, że Analiza matematyczna(przynajmniej jej podstawy) jest teraz łatwiejszy do nauczenia niż fizyka.

Wykłady Feynmana zostały opublikowane w USA w trzech dużych tomach. Pierwsza zawiera głównie wykłady z mechaniki i teorii ciepła, druga – elektrodynamiki i fizyki media ciągłe a trzeci to mechanika kwantowa. Aby książka była dostępna dla większej liczby czytelników i była wygodniejsza w użyciu, wydanie rosyjskie ukaże się w małych nakładach. Pierwsze cztery z nich odpowiadają pierwszemu tomowi wydania amerykańskiego.

Kto skorzysta na tej książce? Przede wszystkim nauczycielom, którzy przeczytają go w całości: sprawi, że zastanowią się nad zmianą panujących poglądów na temat tego, jak zacząć uczyć fizyki. Dalej uczniowie to przeczytają. Znajdą w nim wiele nowych rzeczy, oprócz tego, czego nauczą się na wykładach. Oczywiście dzieci w wieku szkolnym również spróbują go przeczytać. Większość z nich będzie miała trudności z pokonaniem wszystkiego, ale to, co potrafią przeczytać i zrozumieć, pomoże im się w to wejść nowoczesna nauka, do której droga jest zawsze trudna, ale nigdy nudna. Każdy, kto nie wierzy, że może ją zdać, nie powinien zajmować się studiowaniem tej książki! Wreszcie wszyscy inni mogą to przeczytać. Czytaj tak po prostu dla zabawy. Jest to również bardzo pomocne. We wstępie Feynman nie ocenia wyników swoich doświadczeń zbyt wysoko: zbyt mało studentów, którzy uczęszczali na jego kurs, opanowało wszystkie wykłady. Ale tak powinno być.

Do czytelników wydania rosyjskiego

Są to wykłady z fizyki ogólnej prowadzone przez fizyka teoretycznego. Wcale nie przypominają żadnego innego znanego kursu. Może się to wydawać dziwne: podstawowe zasady fizyki klasycznej, nie tylko klasycznej, ale także kwantowej, od dawna są ustalane, kurs fizyki ogólnej czytany jest na całym świecie w tysiącach placówek edukacyjnych od wielu lat i jest czas, aby przekształciła się w standardowy ciąg znanych faktów i teorii, jak np. elementarna geometria w szkole. Jednak nawet matematycy uważają, że ich nauk ścisłych należy nauczać inaczej. A o fizyce nie ma co mówić: rozwija się ona tak intensywnie, że nawet najlepsi nauczyciele cały czas napotykają wielkie trudności, gdy muszą opowiadać uczniom o współczesnej nauce. Narzekają, że muszą złamać to, co powszechnie nazywa się starymi lub znanymi wierzeniami. Ale skąd biorą się znane pojęcia? Zwykle wpadają do młodych głów w szkole od tych samych nauczycieli, którzy potem będą mówić o niedostępności idei współczesnej nauki. Dlatego zanim dotrzemy do sedna sprawy, trzeba poświęcić dużo czasu na przekonanie słuchaczy o fałszywości tego, co wcześniej wpajano im jako oczywistą i niezmienną prawdę. Byłoby szaleństwem najpierw powiedzieć uczniom „dla uproszczenia”, że Ziemia jest płaska, a potem, jako odkrycie, zgłosić jej kulistość. A czy droga, którą przyszli specjaliści wkraczają we współczesny świat idei teorii względności i kwantów, jest tak daleka od tego absurdalnego przykładu? Sprawę komplikuje również fakt, że w przeważającej części wykładowcą i słuchaczami są ludzie różnych pokoleń, a wykładowcy bardzo trudno uniknąć pokusy prowadzenia słuchaczy znaną i rzetelną drogą, po której on sam po osiągnięciu pożądanych wysokości. Jednak stara droga nie zawsze jest najlepsza. Fizyka rozwija się bardzo szybko i aby za nią nadążyć, konieczna jest zmiana sposobów jej studiowania. Wszyscy zgadzają się, że fizyka jest jedną z najciekawszych nauk. Jednocześnie wiele podręczników do fizyki wcale nie jest interesujących. W takich podręcznikach znajduje się wszystko, co następuje po programie. Zwykle wyjaśnia korzyści płynące z fizyki i jak ważne jest jej studiowanie, ale dzięki nim bardzo rzadko można zrozumieć, dlaczego uprawianie fizyki jest interesujące. Ale ta strona sprawy również zasługuje na uwagę. Jak sprawić, by nudny temat był zarówno interesujący, jak i nowoczesny? Powinni o tym pomyśleć przede wszystkim ci fizycy, którzy sami pracują z zapałem i potrafią przekazać tę pasję innym. Czas na eksperymenty już nadszedł. Ich celem jest znalezienie najskuteczniejszych sposobów nauczania fizyki, które umożliwiłyby szybkie przekazanie nowemu pokoleniu całego zasobu wiedzy, jaki nauka zgromadziła w swojej historii. Znalezienie nowych sposobów nauczania zawsze było ważną częścią nauki. Nauczanie, podążając za rozwojem nauki, musi nieustannie zmieniać swoje formy, łamać tradycje, szukać nowych metod. Istotną rolę odgrywa tu fakt, że w nauce cały czas zachodzi zdumiewający proces pewnego rodzaju uproszczenia, który pozwala w prosty i zwięzły sposób nakreślić to, co kiedyś wymagało wielu lat pracy.

Niezwykle ciekawą próbę w tym kierunku podjęto w California Institute of Technology (USA), w skrócie KALTECH, gdzie grupa profesorów i nauczycieli, po licznych dyskusjach, opracowała nowy program z fizyki ogólnej, a jeden z członków z tej grupy, wybitny amerykański fizyk Richard Feynman, czytał wykłady.

Wykłady Feynmana wyróżnia to, że adresowane są do słuchacza żyjącego w drugiej połowie XX wieku, który już dużo wie lub słyszał. Dlatego na wykładach nie traci się czasu na wyjaśnianie w „wyuczonym języku” tego, co jest już znane. Ale fascynująco opowiadają o tym, jak człowiek studiuje otaczającą go przyrodę, o osiąganych dziś granicach w wiedzy o świecie, o tym, jakie problemy nauka rozwiąże dziś i rozwiąże jutro.

Wykłady wygłoszono w latach akademickich 1961-1962 i 1962-1963; zostały nagrane na magnetofonie, a następnie (co samo w sobie okazało się trudnym zadaniem) „przetłumaczone” na „pisemny angielski” przez profesorów M. Sandsa i R. Leightona. Ten rodzaj „przekładu” zachowuje wiele cech żywej mowy wykładowcy, jej żywość, żarty, dygresje. Jednak ta bardzo cenna cecha wykładów nie była bynajmniej główną i samowystarczalną cechą. Nie mniej ważne były oryginalne metody prezentacji materiału stworzone przez wykładowcę, które odzwierciedlały błyskotliwą indywidualność naukową autora, jego punkt widzenia na drogę nauczania fizyki studentów. To oczywiście nie jest przypadkowe. Wiadomo, że w swoich pracach naukowych Feynman zawsze znajdował nowe metody, które bardzo szybko stały się powszechnie akceptowane. Prace Feynmana dotyczące elektrodynamiki kwantowej i statystyki przyniosły mu szerokie uznanie, a jego metoda – tak zwane „diagramy Feynmana” – jest obecnie stosowana w prawie wszystkich dziedzinach fizyki teoretycznej.

Cokolwiek o tych wykładach mówią – zachwycali się stylem prezentacji lub lamentowali nad rozpadem starych, dobrych tradycji – jedno pozostaje bezsporne: trzeba rozpocząć eksperymenty pedagogiczne. Zapewne nie wszyscy zgodzą się ze sposobem postawienia przez autora pewnych pytań, nie wszyscy zgodzą się z oceną celów i perspektyw współczesnej fizyki. Ale będzie to zachęta do pojawiania się nowych książek, które będą odzwierciedlać inne poglądy. To jest eksperyment.

Ale nie chodzi tylko o to, co powiedzieć. Nie mniej ważne jest kolejne pytanie - w jakiej kolejności należy to zrobić. Lokalizacja sekcji w ramach kursu fizyki ogólnej i kolejność prezentacji jest zawsze kwestią warunkową. Wszystkie dziedziny nauki są ze sobą tak powiązane, że często trudno jest zdecydować, co należy przedstawić najpierw, a co później.

Jednak w większości programów uniwersyteckich i dostępnych podręcznikach pewne tradycje są nadal zachowane.

Odrzucenie utartej kolejności prezentacji jest jedną z cech wyróżniających wykłady Feynmana. Opowiadają nie tylko o konkretnych problemach, ale także o miejscu, jakie zajmuje fizyka w wielu innych naukach, o sposobach opisywania i badania zjawisk przyrodniczych. Zapewne przedstawiciele innych nauk – powiedzmy matematycy – nie zgodzą się z miejscem, jakie Feynman nadaje tym naukom. Dla niego, jako fizyki, „jego” nauka oczywiście wydaje się najważniejsza. Ale ta okoliczność nie zajmuje dużo miejsca w jego prezentacji. Z drugiej strony jego historia wyraźnie odzwierciedla powody, które skłaniają fizyka do ciężkiej pracy badacza, a także wątpliwości, jakie pojawiają się w obliczu trudności, które obecnie wydają się nie do pokonania.

Młody przyrodnik musi nie tylko zrozumieć, dlaczego nauka jest ciekawa, ale także poczuć, jakim kosztem odnosi się zwycięstwa i jak czasami drogi do nich prowadzące są trudne.

Od przedmowy do czytelników wydania rosyjskiego:
Wszyscy zgadzają się, że fizyka jest jedną z najciekawszych nauk. Jednocześnie wiele podręczników do fizyki wcale nie jest interesujących. W takich podręcznikach znajduje się wszystko, co następuje po programie. Zwykle wyjaśnia korzyści płynące z fizyki i jak ważne jest jej studiowanie, ale dzięki nim bardzo rzadko można zrozumieć, dlaczego uprawianie fizyki jest interesujące. Ale ta strona sprawy również zasługuje na uwagę. Jak sprawić, by nudny temat był zarówno interesujący, jak i nowoczesny? Powinni o tym pomyśleć przede wszystkim ci fizycy, którzy sami pracują z zapałem i potrafią przekazać tę pasję innym. Czas na eksperymenty już nadszedł. Ich celem jest znalezienie najskuteczniejszych sposobów nauczania fizyki, które umożliwiłyby szybkie przekazanie nowemu pokoleniu całego zasobu wiedzy, jaki nauka zgromadziła w swojej historii. Znalezienie nowych sposobów nauczania zawsze było ważną częścią nauki. Nauczanie, podążając za rozwojem nauki, musi nieustannie zmieniać swoje formy, łamać tradycje, szukać nowych metod. Istotną rolę odgrywa tu fakt, że w nauce cały czas zachodzi zdumiewający proces pewnego rodzaju uproszczenia, który pozwala w prosty i zwięzły sposób nakreślić to, co kiedyś wymagało wielu lat pracy.

Niezwykle ciekawą próbę w tym kierunku podjęto w California Institute of Technology (USA), w skrócie KALTECH, gdzie grupa profesorów i nauczycieli, po licznych dyskusjach, opracowała nowy program z fizyki ogólnej, a jeden z członków z tej grupy, wybitny amerykański fizyk Richard Feynman, czytał wykłady.

Wykłady Feynmana wyróżnia to, że adresowane są do słuchacza żyjącego w drugiej połowie XX wieku, który już dużo wie lub słyszał. Dlatego na wykładach nie traci się czasu na wyjaśnianie w „wyuczonym języku” tego, co jest już znane. Ale fascynująco opowiadają o tym, jak człowiek studiuje otaczającą go przyrodę, o osiąganych dziś granicach w wiedzy o świecie, o tym, jakie problemy nauka rozwiąże dziś i rozwiąże jutro.

Wykłady wygłoszono w latach akademickich 1961-1962 i 1962-1963; zostały nagrane na magnetofonie, a następnie (co samo w sobie okazało się trudnym zadaniem) „przetłumaczone” na „pisemny angielski” przez profesorów M. Sandsa i R. Leightona. Ten rodzaj „przekładu” zachowuje wiele cech żywej mowy wykładowcy, jej żywość, żarty, dygresje. Jednak ta bardzo cenna cecha wykładów nie była bynajmniej główną i samowystarczalną cechą. Nie mniej ważne były oryginalne metody prezentacji materiału stworzone przez wykładowcę, które odzwierciedlały błyskotliwą indywidualność naukową autora, jego punkt widzenia na drogę nauczania fizyki studentów. To oczywiście nie jest przypadkowe. Wiadomo, że w swoich pracach naukowych Feynman zawsze znajdował nowe metody, które bardzo szybko stały się powszechnie akceptowane. Prace Feynmana dotyczące elektrodynamiki kwantowej i statystyki przyniosły mu szerokie uznanie, a jego metoda – tak zwane „diagramy Feynmana” – jest obecnie stosowana w prawie wszystkich dziedzinach fizyki teoretycznej.

Cokolwiek o tych wykładach mówią – zachwycali się stylem prezentacji lub lamentowali nad rozpadem starych, dobrych tradycji – jedno pozostaje bezsporne: trzeba rozpocząć eksperymenty pedagogiczne. Zapewne nie wszyscy zgodzą się ze sposobem postawienia przez autora pewnych pytań, nie wszyscy zgodzą się z oceną celów i perspektyw współczesnej fizyki. Ale będzie to zachęta do pojawiania się nowych książek, które będą odzwierciedlać inne poglądy. To jest eksperyment. Ale nie chodzi tylko o to, co powiedzieć. Nie mniej ważne jest kolejne pytanie - w jakiej kolejności należy to zrobić.

Lokalizacja sekcji w ramach kursu fizyki ogólnej i kolejność prezentacji jest zawsze kwestią warunkową. Wszystkie dziedziny nauki są ze sobą tak powiązane, że często trudno jest zdecydować, co należy przedstawić najpierw, a co później. Jednak w większości programów uniwersyteckich i dostępnych podręcznikach pewne tradycje są nadal zachowane.

Odrzucenie utartej kolejności prezentacji jest jedną z cech wyróżniających wykłady Feynmana. Opowiadają nie tylko o konkretnych problemach, ale także o miejscu, jakie zajmuje fizyka w wielu innych naukach, o sposobach opisywania i badania zjawisk przyrodniczych. Zapewne przedstawiciele innych nauk – powiedzmy matematycy – nie zgodzą się z miejscem, jakie Feynman nadaje tym naukom. Dla niego, jako fizyki, „jego” nauka oczywiście wydaje się najważniejsza. Ale ta okoliczność nie zajmuje dużo miejsca w jego prezentacji. Z drugiej strony jego historia wyraźnie odzwierciedla powody, które skłaniają fizyka do ciężkiej pracy badacza, a także wątpliwości, jakie pojawiają się w obliczu trudności, które obecnie wydają się nie do pokonania.

Młody przyrodnik musi nie tylko zrozumieć, dlaczego nauka jest ciekawa, ale także poczuć, jakim kosztem odnosi się zwycięstwa i jak czasami drogi do nich prowadzące są trudne.

Należy również pamiętać, że jeśli autor najpierw zrezygnował z aparatu matematycznego lub wykorzystał tylko ten, który jest prezentowany na wykładach, to czytelnik idąc do przodu będzie musiał powiększać swój bagaż matematyczny. Doświadczenie pokazuje jednak, że analiza matematyczna (przynajmniej jej podstawy) jest teraz łatwiejsza do nauczenia niż fizyka.

Kto skorzysta na tej książce? Przede wszystkim nauczycielom, którzy przeczytają go w całości: sprawi, że zastanowią się nad zmianą panujących poglądów na temat tego, jak zacząć uczyć fizyki. Dalej uczniowie to przeczytają. Znajdą w nim wiele nowych rzeczy, oprócz tego, czego nauczą się na wykładach. Oczywiście dzieci w wieku szkolnym również spróbują go przeczytać. Większość z nich będzie miała trudności z pokonaniem wszystkiego, ale to, co potrafią przeczytać i zrozumieć, pomoże im wejść do nowoczesnej nauki, do której droga jest zawsze trudna, ale nigdy nudna. Każdy, kto nie wierzy, że może ją zdać, nie powinien zajmować się studiowaniem tej książki! Wreszcie wszyscy inni mogą to przeczytać. Czytaj tak po prostu dla zabawy. Jest to również bardzo pomocne. We wstępie Feynman nie ocenia wyników swoich doświadczeń zbyt wysoko: zbyt mało studentów, którzy uczęszczali na jego kurs, opanowało wszystkie wykłady. Ale tak powinno być. Pierwsze doświadczenie rzadko kończy się pełnym sukcesem. Nowe idee zawsze znajdują na początku tylko kilku zwolenników i dopiero stopniowo się oswajają.

„Fizyka jest jak seks: może nie daje praktycznych rezultatów, ale to nie jest powód, by tego nie robić”- hasło, z którym Richard Feynman przeszedł przez życie, urzekając tysiące ludzi swoją nieokiełznaną pasją. Genialny naukowiec, dociekliwy mikrobiolog, wnikliwy znawca literatury Majów, artysta, muzyk, a także zapalony bezpieczny cracker, Feynman pozostawił po sobie ogromną spuściznę naukową z dziedziny fizyki teoretycznej oraz sporą liczbę przemówień, w których profesor próbował przekazać nam jego podziw dla geniuszu i prostoty natury, wielu praw, których wciąż nie jesteśmy w stanie pojąć.

W tym sensie Posłaniec Feynmana wykłada na ten temat „Natura praw fizycznych”, czytany przez niego w 1964 na Cornell University, to uniwersalny mini-podręcznik do fizyki, w którym osiągnięcia tej nauki i problemy, przed którymi stoją badacze, są krótko, ostro, przystępnie i emocjonalnie przedstawione. Tak, minęło 50 lat, wiele się zmieniło (postawiono teorię strun, odkryto bozon Higgsa, istnienie ciemnej energii, ekspansję Wszechświata), ale podstawy, te prawa fizyczne, o których mówi Feynman, są uniwersalny klucz, z którym można śmiało podejść do znajomości najnowocześniejsze odkrycia naukowców w tej dziedzinie. Bez tego pragmatycznego patosu można się jednak obejść: wykłady Feynmana są niesamowite i przypadną do gustu każdemu, kto stoi odrętwiały w obliczu wielkości Natury i harmonii, która przenika wszystko w naszym świecie - od ułożenia komórki po ułożenie Wszechświata . W końcu, jak powiedział sam Feynman. Wiec ciesz się tym.

Wykład nr 1

„Prawo powszechnego ciążenia”

W tym wykładzie Richard Feynman wprowadza słuchaczy w prawo powszechnego ciążenia jako przykład prawa fizycznego, opowiada o historii jego odkrycia, charakterystyczne cechy, odróżniając ją od innych praw, oraz niezwykłymi konsekwencjami, jakie pociągały za sobą odkrycie grawitacji. Inny naukowiec zastanawia się nad bezwładnością i tym, jak cudownie wszystko się układa:

To prawo zostało nazwane „Największe uogólnienie osiągnięte przez ludzki umysł”. Ale już ze słów wstępu zapewne zrozumiałeś, że interesuje mnie nie tyle ludzki umysł, co cuda natury, która potrafi przestrzegać tak eleganckich i prostych praw, jak prawo grawitacji. Dlatego nie będziemy mówić o tym, jak mądrzy jesteśmy, że odkryliśmy to prawo, ale o tym, jak mądra jest natura, która je przestrzega.

Wykład nr 2

„Związek fizyki i matematyki”

Matematyka to język, którym posługuje się natura, według Richarda Feynmana. Wszystkie argumenty przemawiające za tym wnioskiem - zobacz wideo.

Żadna ilość argumentów intelektualnych nie jest w stanie oddać głuchego uczucia muzyki. W ten sam sposób żadne intelektualne argumenty nie są w stanie przekazać człowiekowi zrozumienia przyrody. „Inna kultura”. Filozofowie próbują mówić o przyrodzie bez matematyki. Przyrodę staram się opisać matematycznie. Ale jeśli mnie nie rozumieją, to nie dlatego, że to niemożliwe. Może moja porażka wynika z tego, że horyzonty tych ludzi są zbyt ograniczone i uważają człowieka za centrum Wszechświata.

Wykład nr 3

„Wielkie prawa ochrony”

Tutaj Richard Feynman zaczyna mówić o ogólnych zasadach, które przenikają całą różnorodność praw fizycznych, zwracając szczególną uwagę na zasadę zachowania energii: historię jej odkrycia, zastosowanie w różnych dziedzinach i tajemnice, jakie energia stanowi dla naukowcy.

Poszukiwanie praw fizyki jest jak dziecięca gra w klocki, z której trzeba złożyć cały obraz. Mamy ogromną różnorodność kostek, a każdego dnia jest ich coraz więcej. Wielu leży na uboczu i wydaje się, że nie pasuje do reszty. Skąd wiemy, że wszystkie pochodzą z tego samego zestawu? Skąd wiemy, że razem muszą stworzyć pełny obraz? Nie ma całkowitej pewności i to nas trochę martwi. Ale fakt, że wiele kostek ma ze sobą coś wspólnego, jest zachęcający. Wszystkie są narysowane niebieskie niebo, wszystkie wykonane są z tego samego gatunku drewna. Wszystkie prawa fizyczne podlegają tym samym prawom zachowania.

Źródło wideo: Evgeny Kruychkov / Youtube

Wykład nr 4

„Symetria w prawach fizycznych”

Wykład na temat osobliwości symetrii praw fizycznych, jej własności i sprzeczności.

Skoro mówię o prawach symetrii, chciałbym powiedzieć, że w związku z nimi pojawiło się kilka nowych problemów. Na przykład każdy cząstka elementarna odpowiada mu antycząstka: dla elektronu jest to pozyton, dla protonu jest to antyproton. W zasadzie moglibyśmy stworzyć tak zwaną antymaterię, w której każdy atom składałby się z odpowiednich antycząstek. Tak więc zwykły atom wodoru składa się z jednego protonu i jednego elektronu. Jeśli weźmiemy jeden antyproton o ujemnym ładunku elektrycznym i jeden pozyton i połączymy je, otrzymamy atom wodoru specjalny typ, że tak powiem, atom antywodoru. Ponadto stwierdzono, że w zasadzie taki atom nie byłby gorszy od zwykłego i że w ten sposób można by stworzyć samą antymaterię różnego rodzaju... Teraz można zapytać, czy taka antymateria zachowa się dokładnie tak samo jak nasza materia? I, o ile wiemy, odpowiedź na to pytanie musi brzmieć tak. Jedno z praw symetrii mówi, że jeśli zrobimy urządzenie z antymaterii, to będzie ono zachowywać się dokładnie jak urządzenie z naszej zwykłej materii. To prawda, że ​​te instalacje warto sprowadzić w jednym miejscu, bo nastąpi zagłada i polecą tylko iskry.

Wykład nr 5

„Różnica między przeszłością a przyszłością”

Jeden z najbardziej ciekawe wykłady Feynman, który, jak na ironię, pozostaje jedynym nieprzetłumaczonym. Nie zniechęcaj się - dla tych, którzy nie starają się zrozumieć subtelności naukowego języka angielskiego, możesz przeczytać rozdział o tym samym tytule z książki naukowca, dla wszystkich innych - publikujemy angielską wersję przemówienia fizyka.

Pamiętamy przeszłość, ale nie pamiętamy przyszłości. Nasza świadomość tego, co może się wydarzyć, jest zupełnie innego rodzaju niż świadomość tego, co prawdopodobnie już się wydarzyło. Przeszłość i teraźniejszość postrzegane są psychologicznie na zupełnie inne sposoby: dla przeszłości mamy takie realne pojęcie jak pamięć, a dla przyszłości - pojęcie pozornej wolnej woli. Jesteśmy pewni, że w jakiś sposób możemy wpłynąć na przyszłość, ale nikt z nas, może z wyjątkiem samotników, nie myśli, że można zmienić przeszłość. Pokuta, żal i nadzieja to słowa, które wyraźnie wyznaczają granicę między przeszłością a przyszłością.<…>... Ale jeśli wszystko na tym świecie jest zbudowane z atomów i my też składamy się z atomów i przestrzegamy praw fizycznych, to najbardziej naturalna jest oczywista różnica między przeszłością a przyszłością, tę nieodwracalność wszystkich zjawisk można by tłumaczyć faktem, że niektóre prawa ruch atomów ma tylko jeden kierunek - że prawa atomowe nie są takie same w stosunku do przeszłości i przyszłości. Gdzieś musi istnieć zasada typu: „Możesz zrobić patyk z drzewa, ale nie możesz zrobić drzewa z patyka” w związku z czym nasz świat nieustannie zmienia swój charakter z choinki na patyk - i ta nieodwracalność interakcji powinna być przyczyną nieodwracalności wszystkich zjawisk w naszym życiu.

Wykład nr 6

„Prawdopodobieństwo i niepewność – spojrzenie na naturę mechaniki kwantowej”

W ten sposób sam Feynman stawia problem prawdopodobieństwa i niepewności:

Teoria względności mówi, że jeśli myślisz, że dwa zdarzenia miały miejsce w tym samym czasie, to jest to tylko twój osobisty punkt widzenia, a ktoś inny z tego samego powodu może argumentować, że jedno z tych zjawisk wydarzyło się przed drugim, więc koncepcja równoczesności okazuje się czysto subiektywna<…>... Oczywiście nie może być inaczej, skoro u nas Życie codzienne mamy do czynienia z ogromnymi skupiskami cząstek, bardzo wolnymi procesami i innymi bardzo specyficznymi warunkami, dzięki czemu nasze doświadczenie daje nam jedynie bardzo ograniczone wyobrażenie o naturze. Z bezpośredniego doświadczenia można wydobyć tylko niewielką część zjawisk przyrodniczych. I tylko za pomocą bardzo subtelnych pomiarów i starannie przygotowanych eksperymentów można osiągnąć szerszy obraz rzeczy. A potem zaczynamy stawiać czoła niespodziankom. To, co obserwujemy, wcale nie jest tym, co moglibyśmy przypuszczać, wcale nie tym, co sobie wyobrażaliśmy. Nie musimy bardziej wysilać naszej wyobraźni, aby uporządkować, jak w fikcja, aby wyobrazić sobie, co nie jest w rzeczywistości, ale aby zrozumieć, co naprawdę się dzieje. O tym chcę dzisiaj porozmawiać.

Wykład nr 7

„W poszukiwaniu nowych praw”

Ściśle mówiąc, to, o czym będę mówił w tym wykładzie, nie może być nazwane charakterystyką praw fizyki. Kiedy mówimy o naturze praw fizycznych, możemy przynajmniej założyć, że mówimy o samej naturze. Ale teraz chcę porozmawiać nie tyle o naturze, ile o naszym stosunku do niej. Chciałabym opowiedzieć o tym, co dziś uważamy za znane, czego jeszcze nie można się domyślić i jak odgaduje się prawa fizyki. Ktoś nawet zasugerował, że najlepiej będzie, jak ci powiedziałem, krok po kroku wyjaśnię ci, jak odgadnąć prawo, a na zakończenie otworzę się dla ciebie nowe prawo... Nie wiem, czy dam radę.

Richard Feynman o materiale, który kieruje wszystkimi prawami fizycznymi (o materii), o problemie niezgodności zasad fizycznych, o miejscu milczących założeń w nauce i oczywiście o tym, jak odkrywane są nowe prawa.