Почему слова, которые мы используем в физике, скрывают истинную природу реальности

В моем детстве в США во время нефтяного кризиса начала 70-х, я постоянно сиалкивался с социальной рекламой, в которой людей призывали экономить энергию. Но потом, когда был постарше, узнал, что согласно физике "энергия всегда сохраняется". Это меня озадачило. Если природа сама сохраняет энергию, зачем тогда нужно что-то для этого делать нарочно?

[Аудиоверсия эссе у нас в ТГ или на Ютубе]

Скоро я понял, что физики говорят не на обычном языке. Они используют диалект. В нем полно привычно звучащих слов, у которых совсем другие, незнакомые значения (в том числе слова "сохранять" и "энергию"). Более того, многие слова, в том числе простые, как "сила" и "масса", даже не обозначают то, что изначально подразумевали физики. Следовательно, язык, который мы используем для обсуждения физики, затемняет некоторые из наших самых красивых и увлекательных открытий о том, как работает вселенная.

Некоторые ученые тут могут пожать плечами и сказать, что неудивительно да и проблемы нет в том, что слова не полностью ясны. В конце концов, основы физики — это эксперимент и математика. Именно они имеют значение; слова неизбежно являются лишь тенями.

Хоть я согласен, что данные и уравнения на первом месте, но все же физики передают свои идеи, как друг другу, так и неспециалистам, используя язык. Когда их формулировки двусмысленны или неоднозначны, важнейшие уроки о космосе могут быть неправильно поняты.

Поэтому давайте внимательнее посмотрим на язык физики и на то, как три, казалось бы, простых слова изменились, со временем став ловушками для неосторожных. Такие обманчивые термины и метафоры широко распространены в диалекте физиков. Давайте остановимся и задумаемся, ведь так мы можем получить более ясное, глубокое и полное представление о реальности.

Чтобы погрузить в контекст, позвольте начну с еще одной короткой истории из моей юности. Когда мне было 20, я прервал изучение физики на год, чтобы заняться музыкой в Парижской консерватории. Я посещал занятия по фортепиано и композиторскому мастерству. В первые дни в городе огней я испытывал постоянный стресс, пытаясь общаться на французском. Посещая классический концерт, я столкнулся с трудностями при покупке билета, разговоре с билетером и расшифровке программы. Но когда музыканты начали играть, я почувствовал внезапный прилив неожиданного облегчения. Я каким-то образом забыл, что сама музыка не потребует перевода – она будет успокаивать мой мозг и сердце так же, как и дома.

Подобно музыке, математика иногда может преодолевать языковые барьеры: набор символов 2 + 2 = 4 может быть безмолвно интерпретирован во многих культурах. Поскольку теоретическая физика является наиболее математически обоснованной наукой, возможно, она наследует эту языковую независимость. Действительно ли E = mc² нуждается в переводе через слова?

Ответ, безусловно, да. E и m обозначают "энергию" и "массу", но что эти слова на самом деле означают? Никакого понимания знаменитой формулы Альберта Эйнштейна нельзя достичь, даже студентам-физикам, без обсуждения точных определений этих терминов. Это немаловажно, потому что в современной физике существует несколько типов энергии и массы, каждый с непривычным определением. Если не выбрать правильные типы, E = mc² даже не будет верным утверждением. Короче говоря, "энергия" и "масса" – это не тени, а несущие опоры.

Всё об атомах

Имея это в виду, давайте углубимся в первое из трех слов, которые я хочу рассмотреть подробнее. Я нахожу историю слова "атом" особенно показательной. Его происхождение восходит к древнегреческому философу Левкиппу и его ученику Демокриту, которые предположили, что материальные объекты состоят из крошечных, элементарных, неразрушимых частиц. Предполагалось, что частицы каждого типа идентичны и неделимы, отсюда и название "атом", от древнегреческого atomos, означающего "неделимый".

Гораздо позже, на заре 19 века, химические эксперименты предоставили доказательства того, что все материалы действительно состоят из элементарных веществ – водорода, кислорода, углерода и других элементов – и что каждое такое вещество состоит из идентичных, крошечных объектов. Европейские ученые того времени были знакомы с древнегреческими философами, поэтому для химиков, таких как Джон Дальтон, было естественно называть эти объекты "атомами". После некоторой путаницы в определениях в первое время, значение атома было определено к середине века, обозначая, как и сегодня, фундаментальную единицу химического элемента.

Однако это слово является неточным. Вскоре после открытия электронов на рубеже 20 века стало понятно, что они населяют окраины атомов и могут быть оторваны и переназначены другим атомам в химических реакциях. Их отрицательный электрический заряд уравновешивается в каждом атоме положительно заряженным ядром, которое само по себе также делимо. Так что о неделимости атомов речи уже не шло.

Но к тому времени слово "атом" уже прочно утвердилось. Десятилетия научных работ и обсуждений опирались на этот термин; заменить его было бы нелегко как практически, так и психологически. Вот почему, несмотря на знание о делимости атомов, ученые сохранили "атом" и изменили его определение. Язык обладает устойчивостью.

Где язык становится сложным

К счастью, тот факт, что атомы противоречат своему собственному названию, безвреден, хотя и забавен, потому что слово "атом" больше не несет того резонанса, который оно имело – если только вы случайно не изучали древнегреческий. Но другие выражения в физике создают большие трудности.

Возьмем слово "сила", широко используемое в обычном английском языке, как глагол ("Я силой открыл дверь") и как существительное ("поднятие ящика потребовало большой силы"). Слово приобрело точное научное значение в конце 17 века, когда Исаак Ньютон разрабатывал свои законы движения. Он использовал этот термин для обозначения величины и направления, с которыми один объект толкает или тянет второй объект, тем самым влияя на его движение. (Часто писав на латыни, Ньютон использовал слово "vis", но переводил его как "force" (сила), когда писал по-английски.) В течение двух столетий значение "силы" в диалекте физики было ясным, потому что это определение удобно перекрывалось со стандартным, интуитивным английским значением.

Но назревали проблемы. Ученые узнали в 19 веке, что притяжение статического электричества возникает из-за чего-то, что они назвали электрическим полем. Соответствующее магнитное поле отвечает за притяжение, удерживающее магнит на металлическом предмете. Вскоре, однако, были обнаружены другие роли этих полей, не имеющие ничего общего с толчками или притяжением. Самое важное, что волны в этих полях проявляются как то, что мы называем светом. Эти два поля также участвуют в излучении и поглощении света атомами и в различных других экзотических эффектах.

Физикам нужно было название для всей категории этих "электромагнитных" явлений, включая не только толчки и притяжения, но также свет и его взаимодействия с материей. У них был выбор: либо определить новый термин, охватывающий все эти процессы, оставив "электромагнитную силу" для обозначения только толчков и притяжений, либо расширить определение старого термина, чтобы включить их все. К сожалению, они выбрали оба варианта.

Когда физики говорят между собой об электромагнитных эффектах, они часто используют слово "взаимодействие", например: "лазеры, свет огня, химия и столкновения электронов – все это вызвано электромагнитным взаимодействием". На мой взгляд, это слово особенно удачно, и жаль, что оно не используется шире. Значение "взаимодействия" в физике близко к его значению в обычном языке, где оно представляет идею взаимного влияния или контакта между людьми или объектами, которые могут вызвать изменение в их поведении.

Но ученые также просто используют слово "сила" вместо "взаимодействие", изображая электромагнитную силу как ответственную за все электромагнитные процессы. Это проблематично, потому что оно расширяет "силу" далеко за пределы нашего интуитивного понимания слова. Например, они используют это слово для обозначения четырех "фундаментальных сил": электромагнетизма, гравитации и сильного и слабого ядерных взаимодействий. При этом они объединяют гравитационное притяжение с колебаниями пространства и времени, известными как гравитационные волны, описывая их все как "обусловленные гравитационной силой".

Истинное значение "силы"

Физики также иногда говорят такие вещи, как "слабое ядерное взаимодействие питает Солнце и сверхновые, и вызывает распад некоторых атомных ядер". Но это легко можно интерпретировать так, будто эти важные эффекты происходят через толчок или притяжение, тогда как на самом деле они включают нечто гораздо более замечательное, чем традиционная сила: превращение частицы из одного типа в другой.

Признаться, проблемы с "силой" не так уж велики. Не требуется много времени, чтобы выделить два разных значения, как я сделал здесь. Однако слово "частица" поднимает эти проблемы на новый уровень.

Как и "сила", "частица" имеет несколько определений в диалекте физики. В одном оно сохраняет свое первоначальное значение из стандартного английского. Но у него есть другое значение, которое частично противоречит тому, к которому мы привыкли. Это может вызвать серьезные недоразумения, иногда даже у ученых.

В обычном английском языке квинтэссенцией частицы была бы, например, песчинка. Это простая вещь; она выглядит как маленькая точка. Если ее бросить, она движется по определенному пути. Если поместить ее в коробку, она просто будет там лежать, ничего не делая. Услышав, что электрон является элементарной "частицей", мы естественным образом представляем его как еще меньшую точку, возможно, бесконечно малую, до точки неделимости. Наша интуиция в отношении "частицы" затем дает нам представление о том, как должен вести себя электрон. Мы представляем движущийся электрон как точку, перемещающуюся по узкому пути. Если электрон помещен в коробку, будь эта коробка большой или маленькой, мы представляем электрон сидящим внутри нее, неподвижным, неактивным.

Именно так ученые представляли себе электроны в течение десятилетий после их открытия. Но теперь мы знаем, что они совсем не такие. В отличие от песчинки, электрон - это крошечная волна. Хотя его волновая природа проявляется многими способами, позвольте мне упомянуть только два. Во-первых, электрон в коробке, вместо того чтобы лежать неподвижно и ничего не делать, вибрирует миллиарды триллионов раз в секунду. Это волноподобное поведение: "стоячие волны", образующиеся на струне щипковой гитары, являются знакомыми примерами волн, которые естественным образом вибрируют и при этом никуда не движутся.

Во-вторых, волны распространяются так, как частицы не могут, делая их чувствительными к своему контейнеру. Электрон реагирует на форму и размер своей оболочки. Например, если коробка с электроном внутри уменьшается, энергия электрона увеличивается.

Тем не менее, электроны не являются обычными волнами, потому что они неделимы, в отличие от звуковых или водяных волн. По этой причине некоторые физики, начиная с 1920-х годов, рассматривали использование слова "волночастица" (wavicle), которое отражает идею минимальной, неделимой единицы волны. Мне лично нравится этот термин, потому что он не несет никакого багажа, никакого предсуществующего значения в английском языке, которое могло бы запутать слушателя. Его новизна освобождает разум для представления нового понятия, которое не является ни частицей, ни волной. К сожалению, слово "частица" так же глубоко укоренилось в языке физики, как "атом" был на рубеже 20-го века, и попытка заменить его на "волночастицу" вероятно, была бы безнадежной битвой.

"Частицы" на самом деле вовсе не частицы

Тем не менее, тот факт, что частицы совсем не похожи на крупинки пыли, является одним из наших самых фундаментальных открытий. Мы не можем позволить этому важнейшему уроку быть затемненным нашим выбором слов. Если слова нельзя изменить, мы должны научиться видеть сквозь них, развить понимание "элементарных частиц", которое превосходит нашу интуицию, и открыть наши умы тому, что это слово на самом деле обозначает в современной физике.

Подчеркивая трудности интерпретации научного языка, я говорю из личного опыта. Будучи подростком, я прочитал много книг и статей о физике и пытался воспринимать их слова буквально. То же самое я делал, когда мои первые учителя физики использовали выражения, которые звучали знакомо. Но в перевернутом образе моего парижского опыта с музыкой, здесь я обнаружил, что не могу интерпретировать то, что, казалось, было сказано на английском. Тогда я винил себя. Только когда я начал посещать продвинутые курсы физики и стал строить свое понимание на математике, лежащей в основе идей, я правильно усвоил физические концепции. Тогда стало ясно, что все это время проблемой были незнакомые значения.

Сегодня, как профессиональный физик, я обнаруживаю, что научный язык ставит более тонкую задачу. Несмотря на аргумент, что наука в целом основана на бессловесных понятиях – эмпирических данных, уравнениях, мысленных экспериментах и вдохновенной интуиции материального мира – занятие наукой требует от ученых общения. Мы должны делиться новыми идеями и гипотезами, чтобы их можно было обсуждать, взвешивать и оценивать. Делая это, используемый нами язык может влиять на наше воображение. Когда мы слышим знакомое слово, наш мозг мгновенно импортирует его концептуальный багаж из стандартного языка, впридачу с его коннотациями, связанными метафорами и визуальными образами. Если оно было существенно переопределено физиками, как в случае с "частицей", этот багаж может вводить в заблуждение, вплоть до того, что мешает нам понимать основы устройства Вселенной.

Можем ли мы мечтать о дне, когда все проблемы диалекта физики будут решены? К сожалению, шансов на это мало. Истории "атома", "силы" и "частицы" предполагают, что лингвистические опасности неизбежны. Как мы видели, термины, которые изначально кажутся подходящими, укореняются задолго до того, как оказываются неадекватными или вводящими в заблуждение, и к тому моменту их почти невозможно вытеснить. Похоже, наш лучший вариант - оценить ограничения диалекта и найти способы обойти их. Только тогда мы сможем четко воспринимать тайны и величие нашей вселенной.

Источник: https://www.newscientist.com/article/mg26335090-100-why-the-words-we-use-in-physics-obscure-the-true-nature-of-reality/

Мы в ТГ: https://t.me/sci_one_tv