Когда человек еще не был человеком, а был диким зверем, на него ополчилась вся природа. Не найти в те времена существа несчастнее человека. Лишенный острых клыков и когтей, не имеющий массивных рогов или копыт, он был слабее хищников. Он даже не мог убежать от них, так как не умел быстро бегать. Детство — самый нежный и самый хрупкий период жизни — у него протекало гораздо дольше, чем у других животных, и он в тот период легко становился добычей тигров.

На человека восстали и стихии, от них он тоже был почти ничем не защищен. По злой иронии судьбы, в отличие от других животных, у него шерсть покрывала больше грудь, чем спину; уткнув в колени лицо, кочевник доисторических времен дрожал и вскрикивал во сне от леденящих ветров. Он слишком медленно убегал от стихийных бедствий. Птица улетала при землетрясении, таежный зверь, почуяв запах гари, проворно находил дорогу к спасительному водоему. Движения же человека были замедленны. Они замедлялись и слабостью мышц и силой его любви к детенышам, которых он никогда не бросал в несчастье. Человеческая любовь к семье и роду всегда была сильнее смерти.

Человек извечно тяготился границами, в которых жил, и всячески старался их раздвинуть. Стремление к Неведомому, к познанию того, что находилось за пределами родного места — дома, области, планеты, — всегда было одним из самых его сильных чувств.

Сперва он просто смотрел по сторонам и цепко запоминал чувственно доступную ему природу. Мир открывался ему в предметах, ни происхождения, ни причин движения которых он и не пытался объяснить. Вернее, он все сводил к действию туманных сил — воли богов и демонов, — и это его вполне удовлетворяло.

Но потом родилась наука. Люди, занимавшиеся ею, старались объяснить явления природы естественными причинами. Для этого надо было искать истину, пользуясь определенными правилами, а не рассчитывая на внезапное озарение.

У Леночки Казаковой может оторваться пуговица от платья, но она от этого не перестанет быть Леночкой Казаковой. Законы науки, особенно законы физики, не допускают ни малейшего неряшества. Воспользовавшись аналогией, можно сказать, что законы физики всегда должны быть застегнуты на все пуговицы, всегда быть предельно аккуратны. Отличительная особенность каждого из них заключается в том, что если он имеет хотя бы одно-единственное, на первый взгляд пустячное, нарушение, то это является абсолютным доказательством, что он не может называться, в рамках принятой схемы изучаемых явлений, законом физики.

«Наш взгляд на мир потребует пересмотра даже тогда, когда масса изменится хоть на капельку, — говорит американский физик Ричард П. Фейнман. — Это — характерное свойство общей картины мира, которая стоит за законами. Даже незначительный эффект иногда требует глубокого изменения наших воззрений».

Отсутствие пустяков, существенность любого, хотя бы наиредчайшего и самым слабым образом выраженного явления — таков окружающий нас мир в глазах науки. Уважение к «мелочам» — одна из важных ее особенностей. Другая важная особенность науки наших дней — взгляд на мир как на необъятное поле поисков. Отсюда ее всевозрастающая активность, ее стремление развернуть на этом поле побольше работ, побольше вбить заявочных столбиков.

В огромной степени, надо думать, вторая особенность науки вытекает из первой, является ее неизбежным следствием: когда серьезно относишься ко всему, тогда мир для тебя богаче красками. Выбирай любой оттенок, посвящай себя тому, к чему у тебя лежит сердце; если твое призвание — быть ученым, ты убедишь всех, что избранная тобой дорога — дорога не в никуда, а к благодатной цели.

Быстрый рост наук многих не радует, а пугает. Им кажется, что человеку с каждым годом будет все труднее изучать науку, узнавать хотя бы о важнейших достижениях ее.

«Когда-то, — говорят эти люди, — чтобы быть в курсе дел какой-нибудь отрасли знания, достаточно было прочитать десяток-другой книг. Сейчас же число статей и книг на любую тему растет куда быстрее, чем человек в состоянии их осилить. Мы обречены все больше отставать от открытий и находок».

Звучит тревожно, а похоже, так оно и есть. Возьмем хотя бы вот такой пример. Учебник физики для средней школы состоит из 160–300 страниц. Даже его один прочитать и хорошо понять — дело не для всех простое. Обычно на это тратится по меньшей мере год. А как быть, если хочешь оказаться на переднем крае физики?

Следить за новостями, вылавливать в океане литературы все относящееся к любимой области науки, запоминать, перерабатывать в сознании детали — все это отнимает больше времени, чем изучение основ. Но специалисту это нужно, специалист как раз и ценен накопленными сведениями о деталях; а раз так, значит, существует и проблема: как, тратя меньше времени, вбирать возможно больше сведений (информации).

Нет оснований опасаться, что мозг не выдержит за некоторым пределом: умственная мощность человека, его способность понимать и запоминать практически беспредельны. Представление об этом дают следующие данные. Головной мозг человека состоит из 14–20 миллиардов мельчайших нервных образований — нейронов. Это они — кладовые человеческого ума. А загружено только четыре процента их… Даже принимая во внимание, что часть нейронов мы унаследовали от далеких предков — рыб, ящериц, обезьян, что они являются пережитками, рудиментами, все равно у нас еще огромные запасы неиспользованной умственной мощности. Мы могли бы без особой тренировки уже сейчас запоминать раз в пятнадцать более того, что знаем.

Живя в век космоса и атома, естественно равняться на науку этого века. Но нельзя бросаться в крайность — пренебрежительно отвергать все то, что было найдено предшественниками.

Да, «девяносто процентов всех ученых живы, работают рядом с нами». Но если бы мы говорили не о людях, а об открытиях и изобретениях, то назвали бы еще большее число. В своих делах талантливые люди вообще почти никогда не умирают. Сделанное ими обычно живет вечно. Все ценное, созданное в прошлом, остается в активе современности, превращаясь в неотъемлемую часть настоящего.

Со времен Пифагора, например, люди пользуются его открытием, сделанным в VI веке до н. э., что сумма углов плоского треугольника равна двум прямым. Архимед оставил человечеству среди прочих ценных истин и ту, что на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объеме тела. А Гиппарх, живший во II веке до н. э., довольно точно вычислил расстояние от Земли до Луны и установил время обращения планет вокруг Солнца (следует заметить, что только восемнадцать веков спустя Ньютон открыл закон всемирного тяготения, объясняющий это движение).

В начале мы говорили, как на заре веков человек открыл и сделал своим оружием могущественнейшую силу природы — умение управлять ее силами. Через долгий и мучительный процесс поисков, как нужно изучать природу, что должна представлять собой наука — инструмент такого изучения, — люди постепенно овладевали найденным оружием. Рассказ о покорении могущественнейшей из сил был бы не закончен, если бы мы, хотя вкратце, не упомянули и о том, что делалось, чтобы эта сила не обернулась против самого ее разумного обладателя.

В своей глубокой инстинктивной мудрости человек давно догадывался, что и умственная сила может быть направлена против него, как любая другая. В мифах и поэтических произведениях всех эпох нетрудно отыскать тревожные высказывания по этому поводу.

Жили-были очень умные бородачи. Они смотрели по сторонам и старались угадать, из чего состоят все вещи. Особенно их интересовало то общее, что есть во всех предметах. Бородачи, хотя и жили более двух тысяч лет назад (в стране, которую мы называем теперь Древней Грецией), верно рассуждали, что в руках одного мастера — Природы — все должно иметь как бы единый почерк, чем-то напоминать одно другое.

Но чем именно? Какие свойства одинаково присущи воздуху и камню, дереву и человеку? Вопрос волновал и манил тайной. По почерку людей угадывают их характер; не начинается ли разгадка мироздания с разгадки почерка природы?

Как же отвечали бородачи?

Обычно физику начинают изучать с механики — старейшего ее раздела — и тем как бы подготовляют сознание ученика к восприятию более сложных разделов физики.

Считают, что механика — наука о движении тел и о силах, заставляющих их двигаться, — особенно проста благодаря «самоочевидности» своих истин.

Между тем механика не легче и не труднее других разделов физики. Есть в ней, конечно, утверждения, запоминающиеся сразу, но есть и тонкости, требующие раздумья.

Механика просто как-то ближе и роднее человеку. Она связана с телами и явлениями его практики. Ее законы человек увидел и познал на опыте раньше других законов физики.

— Может ли сплошной кусок металла свободно парить в воздухе? Опыт производится в обыкновенной комнате (можно и на улице), никакие магнитные, центробежные и иные силы на него не действуют.

Никто не слышал положительного ответа на этот вопрос, хотя задавал его ребятам нередко. Между тем ответ должен быть именно таким. Сейчас делаются проволочки толщиной в несколько микронов (тысячных долей миллиметра), и они парят в воздухе, как пушинки.

— Если бы вы сказали не «кусок» металла, а «кусочек» или «крохотуля», я бы догадался, в чем дело, — заметил один школьник после разъяснения.

За окном падал крупными хлопьями снег. Вдалеке празднично звонили колокола. В такую ночь хорошо мечтать, но женщинам, собравшимся в одной из комнат старого, сложенного из серого камня дома, было не до этого. Тревога наполняла их сердца, и скрыть ее не удавалось.

— Какой крохотный! — воскликнула старушка в простом черном платье с белым передником и в высоком накрахмаленном чепце, какие носили вдовы Англии того времени. — Поместится в пивной кружке.

Женщина, лежавшая под одеялом, еще не видела сына, только что появившегося на свет: ее мать и соседка не спешили показывать ей такого хилого ребенка. Но Анна Ньютон — так звали женщину — знала, что он родился слишком рано, и боялась, что он настолько слаб, что жить не будет. Услышав слова соседки, она заплакала.

К числу выдающихся научных достижений Ньютона относится высказанное им смелое предположение, по которому все материальные тела, кроме таких наглядных, очевидных свойств, как твердость, упругость, вес и т. д., имеют еще одно чрезвычайно важное свойство: инерцию.

Мы часто говорим о людях, может быть и талантливых, способных, но трудных на подъем: инертный человек. Нужны усилие, раскачка, чтобы вывести таких людей из состояния блаженного покоя. Идеальный литературный образец инертного человека — Обломов. Физическая инерция чем-то внешне напоминает эту жажду покоя, неизменности состояния у инертных людей.

Всякая направленная величина в физике, то есть величина, для характеристики которой надо знать не только ее абсолютное значение (как говорят: модуль), но и направление в пространстве, называется вектором. Величина, вполне определяемая численным значением, называется скаляром. Примеры векторов: сила, перемещение (путь), скорость, ускорение. Примеры скаляров: масса, плотность, энергия, мощность.

Скаляр и вектор — физические понятия, точный смысл которых только что указан. Однако на «скалярность» и на «векторность» (отсутствие и наличие направленности) можно посмотреть и с гораздо более общей точки зрения. Мы сейчас попробуем сделать это, отмечая кавычками такой общий — не узкофизический — смысл «скалярности» и «векторности».

Конечно, само по себе существование векторов от человека не зависит. Векторы были и до возникновения жизни на нашей планете. По вектору падал камень, выброшенный извержением вулкана, по вектору двигалась Земля вокруг Солнца.

Механика так плотно окружает нас со всех сторон, что мы ее не замечаем, как не замечаем воздуха, которым дышим, и воды, которая попадает в организм с пищей. Но будь мы повнимательнее, мы быстро догадались бы, что без механики у человека единственная перспектива — одичать. Пожалуй, нет средства более надежного — превратить современного Homo sapiens (человека разумного) в питекантропа, чем запретить ему пользоваться орудиями механики.

Завязываем ли мы шнурки, застегиваем ли пуговицы, пропускаем ли мясо через мясорубку или вколачиваем гвоздь в стену — во всех случаях мы имеем дело с механическими машинами, во всех случаях вызываем силы и управляем ими.

Неважно, что машины разной сложности. Конечно, шнурки или пуговицу в петле не сравнить с пылесосом и стиральной машиной, но и там и тут производится преобразование сил, и то и это является различными формами механических машин.

Любопытно, что и Эйнштейн, подобно Ньютону, в раннем своем детстве не давал оснований видеть в себе зачатки гениальности. «Из вас, Эйнштейн, никогда ничего путного не выйдет», — сказал ему однажды без обиняков учитель немецкого языка.

Эйнштейн родился весной 1879 года в германском городе Ульм, а в юношеском возрасте уехал в Швейцарию. Там он сделал попытку поступить в Цюрихский политехникум, но попытка не удалась: блестяще сдав математику, он срезался на языках и… естественных науках. В письмах к друзьям он часто называл себя «неудачником», но это не отравляло ему настроения.

«Я веселый зяблик, — писал он же о себе, — и не способен предаваться меланхолии!»

Когда хотят выразить особое уважение к той или иной работе, теории или человеку, говорят: «Вот это класс!», или «Это классическая теория», или «Он — классик». Совсем не обязательно (как думают иные), чтобы речь шла о давно прошедшем. Если так и получается по большей части, то только потому, что на расстоянии лучше видится. Мы и от живого-то человека отходим слегка, чтобы его получше разглядеть, и от картины, и от здания.

Лишь в наиредчайших случаях, зато при исключительных обстоятельствах, при исключительной уверенности мы говорим о современнике: «Он — живой классик». Но как бы редко это ни бывало, это подтверждает все же высказанную мысль, что в классики «выходят» за реальные выдающиеся заслуги, а не за выслугу лет.

Окно, у которого я пишу, выходит во двор большого интерната. Мальчишки часто дуются в футбол, а притихшие болельщики-девочки порою вдруг взрываются бурным шквалом голосов, что позволяет мне и не глядя подсчитывать число забитых голов. Когда восторг уж слишком ярок, я выглядываю в окно. Кроме смущенно торжествующих ребят и дико скачущих девчонок, я вижу мелюзгу, копошащуюся у невесть зачем вырытой у футбольных ворот прямоугольной ямы с водой (правда, глубиной воробью по колено). На душе становится легко, и строчки словно бы охотнее ложатся на бумагу.

Однажды мое внимание привлекла совсем другая картина. Футбола и ребят на поле не было (вероятно, шли занятия), а из окна второго интернатского этажа женщина в белом выбрасывала узлы с бельем. Рядом с растущей горкой белья стоял голубой «пикап», видимо из прачечной. Вдруг — я даже обомлел — вслед за последним узлом из окна на горку выпрыгнула и сама женщина. Было очень смешно. Потом я подумал: «Физики, поди, не знает, а ведь сообразила, как сэкономить свою работу. Понимает, что одно дело — пойти по коридору, спуститься вниз по лестнице, открыть наружную дверь и т. д. и совсем другое — подобрать юбки и так вот запросто выпрыгнуть в окошко. Благо, думает, никто не наблюдает».

Не приходилось ли вам задумываться, какому виду энергии вы обязаны острым удовольствием помчаться вниз, после того как сиденьице ваших качелей достигло кульминационной высоты и замерло там на мгновение? Ясно, что ваша собственная энергия здесь ни при чем: вы можете расслабить все ваши мускулы и все равно начнете свой полет.

Конечно, вниз вас кинет из верхней точки качелей потенциальная энергия, сработает земное тяготение. Ну, а из нижней точки какая энергия вас подбросит вверх? Кинетическая энергия, это ясно. Потенциальная энергия, или энергия положения, внизу равна нулю, точно так же, как равна нулю на максимальной высоте, в момент изменения направления полета, кинетическая энергия, энергия движения.

Потенциальная и кинетическая энергии взаимно превращаются одна в другую.

Благотворным превращениям энергии человек обязан своим существованием. Прогресс науки и техники убедительно показывает, что, взяв в собственные руки управление такими превращениями, люди быстро изменяют облик природы, делают ее покорнее и щедрее.

Людям помогает Солнце. Не только своим теплом, своей энергией, воплощенной в топливах и речных течениях. Солнце играет роль в формировании самого сознания человека: ведь свыше 90 процентов всей информации о внешнем мире приходит в мозг через глаза — чудесный чувствующий инструмент, развившийся под влиянием солнечного излучения.

Наш ум имеет не только трудовое, но и звездное происхождение, мы подлинные дети труда и света.

Мы говорили о различных видах энергии, об ее способности превращаться из одного вида в другой. Закон сохранения требует, чтобы при этом общее количество энергии не изменялось. Количество — одна из важных характеристик энергии. Но у энергии есть еще и качество. Эта ее характеристика, пожалуй, даже поважнее.

Как же отличать энергию по качеству? Что служит здесь мерилом?

Прежде всего степень концентрации энергии в какой-то обусловленной единице объема.

Нетрудно гвоздь заколотить хорошим молотком. Но попытайтесь сделать то же самое подушкой весом в молоток и вы потерпите фиаско. У вас не получится ничего, хотя в обоих случаях вы применяли одинаковое количество кинетической энергии.

К обилию энергии для техники, науки, бытовых нужд стремятся все народы. Ведь это одно из основных условий нормальной жизни. Можно хорошо работать, безбедно жить, пользоваться всеми благами культуры.

Ну, а как в действительности?

Есть такое понятие — «установленная мощность». Это выраженная в киловаттах мощность работающих генераторов электрического тока (динамо-машин). Понятно, что чем она выше, тем больше электричества могут выработать электростанции, тем богаче страна и ее возможности.

Какая же установленная мощность приходится на одного человека?

«Куда же девался Боря? Посмотрю сперва за домом, потом в гараже у соседа, потом в Сережином подъезде».

Конечно, мать не помнит, что находила своего Борю за домом 65 раз, в гараже — 44 и у Сережи — 32 раза, но это соотношение оставило свой след, и она уверенно начинает поиски по нисходящим вероятностям.

Инженер командируется в Таллин. Он слышал, что в столице Эстонии солнечных дней в году не больше тридцати, и берет в дорогу плащ. Он едет только на неделю, быть может, будет солнце, но статистика за дождь, и инженер склоняется перед статистикой.

Огненное облако с огромной скоростью скатилось с вулкана Мон-Пеле и превратило в пепел цветущий город Сен-Пьер с населением 26 тысяч человек. Катастрофа была столь же ужасна, сколь неожиданна и непонятна. Долго не могли объяснить, каким образом мельчайшие раскаленные частицы вулканического вещества не поднялись в воздух, не рассеялись, а упали на город и предали его страшной участи.

Это произошло в 1902 году на острове Мартиника в архипелаге Малых Антильских островов.

Иначе на противоположной стороне планеты двигалось другое облако — песчаное облако пустыни Кара-Кумы. Оно двигалось не спеша — десятилетиями, веками. Оно незаметно по земле подползало к становищам людей, к продуктам их труда. Оно не убивало сразу, но то, что укутывалось им, переставало существовать. Пески пустыни омертвляли все встречавшееся на пути: колодцы и сады, пастбища и бахчи, города и кишлаки, обнесенные глинобитными стенами.

Древнегреческий философ Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) считал, что мир построен из четырех стихий, или элементов: земли, воды, воздуха и огня. Учение Эмпедокла разделяли многие ученые древности, в том числе и Аристотель. Потом оно проникло в средние века и тоже пользовалось признанием.

А ведь если чуть перефразировать, сказать вместо Эмпедокловых «стихий» — «состояния», мы, пожалуй, согласились бы, что древние верно видели природу. Ведь и мы считаем, что вещество бывает в четырех состояниях: твердом, жидком, газообразном и в виде плазмы.

Среди причин, обусловливающих то или иное состояние, одна из первых, разумеется, температура: при очень низкой температуре станет жидким, а потом и твердым телом воздух, а при достаточно высокой испарится любой металл. Наша жизнь протекает при не слишком больших колебаниях температуры: скажем, если брать две крайности в природе — от минус 50 до плюс 40, — перепад в 90 градусов. Но это такой перепад, в котором вещества встречаются в разных состояниях.

Помня о силах, действующих между молекулами или атомами твердых тел, нетрудно догадаться, почему эти тела плавятся. Потому что при повышении температуры колебания каждого отдельного атома около его нормального положения становятся все сильнее и это необратимо нарушает весь порядок. Постепенно усиление колебаний одних атомов станет отражаться на движении соседних: те будут все больше отклоняться от средних положений в кристалле. Их отклонения, в свою очередь, ослабят стремление раскачавшихся атомов вернуться к нормальным движениям. Хаос будет нарастать, и все кончится тем относительно свободным движением молекул или атомов, которое отличает жидкость.

Можно объяснить, как вещество становится жидкостью, труднее — откуда присущие ей свойства.

Не задумывались ли вы когда-нибудь над тем, какое состояние вещества для нас всего важнее? Почти все, кому я задавал такой вопрос, прося ответить не подумав, ответить сразу, ошибались. Потом лишь, в следующий момент спохватывались: «Газ, конечно!»

Да, безусловно, газ. Живем мы на твердом веществе, живем у жидкого (даже то, что едим, на 90 процентов состоит из воды), но всего важнее для нас третье состояние вещества, потому что мы живем в нем.

Если рыб называют морскими существами, кротов — земляными, то было бы вполне естественно применять иногда к человеку определение «существо воздушное». Воздух — наша стихия, без него нам не прожить и десяти минут.

Возьмем металлическое тело, скажем пулю, и, положив ее в жароупорный тигелек, поставим тигелек в электропечь. Пройдет немного времени, и пуля расплавится, превратится в жидкость, вещество перейдет во второе состояние.

Но будем повышать нагрев. Если возможности печи позволят, металл в конце концов закипит и испарится. Вещество перейдет в свое третье состояние.

Ну, а если нагревать дальше? Что будет с газом, если его нагревать до 4, 5, 6 тысяч градусов?

Не так еще давно даже самые осведомленные физики на этот вопрос отвечали, что ничего особенного не произойдет. Газ просто нагреется сильнее, вот и все. Его молекулы приобретут высокую кинетическую энергию и станут еще быстрее метаться между стенками сосуда.

Итак, четыре состояния вещества — твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Совсем, как древнегреческие четыре стихии — земля, вода, воздух, огонь. Как вновь и вновь не вспоминать знаменитые слова Ф. Энгельса о философии античной Греции: «В ней имеются в зародыше все позднейшие типы мировоззрения».

Человек правильно видит природу. Мы могли бы проиллюстрировать эту мысль и еще на одном примере: на учении Аристотеля о квинтэссенции.

Мы называем квинтэссенцией самое отборное, наилучшее; для нас это слово — синоним тончайшего и ценнейшего в предмете. Буквально здесь не так, но по существу совпадает со смыслом, вложенным в это слово его изобретателем.

Признаться откровенно, я никогда не мог понять, почему все книги, стремящиеся рассказать доступно о том, что такое квантовая теория, теория относительности и другие трудные главы современной физики, не начинаются с объяснения, почему эти главы трудны для человека. Вероятно, хорошим введением в физику был бы рассказ о том, что ее трудности — следствие того, что она изучает вещи и явления, не похожие на человека и на привычный ему мир.

В самом деле, ведь человек — только часть природы, вполне конкретный сгусток материи, имеющий свои размеры, массу, диапазон скоростей и продолжительность существования. В известном смысле человек как бы сам собой измеряет окружающую Вселенную: инструменты, которыми он производит измерения, он создал в масштабах собственного тела. Мерки, применяемые человеком, — сантиметры, метры, километры, метры в секунду, секунды или часы — это всё такие мерки, которые, каждую в отдельности, легко представить (чуть ли не пощупать) и которыми, не пользуясь слишком большими числами и слишком дробными тоже, удобно измерять тела и явления нашей практики.