Научный редактор Дмитрий Вибе, д-р физ. – мат. наук

Редактор Ирина Сисейкина

Издатель П. Подкосов

Руководитель проекта А. Шувалова

Корректоры И. Панкова, Е. Сметанникова

Компьютерная верстка А. Фоминов

Художественное оформление и макет Ю. Буга

Иллюстрация обложки NASA's Goddard Space Flight Center/Johns Hopkins University, Applied Physics Laboratory

© Соколов Д., 2021

© ООО «Альпина нон-фикшн», 2021

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив «Траектория» (при финансовой поддержке Н.В. Каторжнова).

Фонд поддержки научных, образовательных и культурных инициатив «Траектория» (www.traektoriafdn.ru) создан в 2015 году. Программы фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию образовательных программ, повышение интеллектуального уровня и творческого потенциала молодежи, повышение конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию науки и культуры, продвижение идей сохранения культурного наследия. Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.

В рамках издательского проекта Фонд «Траектория» поддерживает издание лучших образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.

Физика без математики – все равно что голый в метро: можно, но неприлично. Эти слова безвестный мыслитель вырезал когда-то на парте Центральной физической аудитории физфака МГУ. Безусловно, портить факультетское имущество нехорошо, но трудно не согласиться с тем, что проблема, подмеченная в этой фразе, существует и с годами становится все более актуальной.

Безусловно, сейчас профессионально заниматься физикой без знания математики совершенно невозможно, хотя степень необходимых знаний математики тоже может сильно меняться от одной области физики к другой. В конце концов, один из авторов науки об электромагнетизме – Майкл Фарадей – был совершенно не склонен писать формулы, но открыл много нового и полезного. Мы часто будем обращаться к его идеям и в этой книге.

В других науках тоже есть свои профессиональные фильтры, которые отсекают любителей от профессионалов. Забавно услышать по радио историческую передачу о Второй мировой войне и отметить, что автор незнаком с немецким языком. Несомненно, нельзя быть филологом-классиком без знания древнегреческого, а выучить его сложнее, чем освоить курс матанализа.

Однако специалисты по античной литературе способны рассказать о своей работе так, что для этого не нужно учить латынь и греческий. Когда я был аспирантом, мне советовали слушать полезные для работы лекции. Я последовал совету и прослушал на филфаке лекции по античной литературе – и никогда не пожалел об этом, хотя времени изучить хотя бы латынь не нашлось: как-то не до того было.

Потом у меня появились дети, они выросли и тоже занялись наукой. Правда, далекой от формул. Они рассказали мне, что формулы вселяют священный ужас в людей, далеких от физики (примерно как в физике – обсуждение фалекова гендекасиллаба). Видя формулы, люди просто перестают читать.

Можно, конечно, сказать, что систематика растений – ею занимается мой сын – нестрогая наука, одни цветочки и травки, пустые разговоры. Нет ничего дальше от истины, чем такое суждение. На заседаниях постоянно действующего семинара «Об основных интересных вопросах современной науки», который проводится в нашей семье, я узнал, что математика – наука весьма нестрогая и разболтанная. В систематике растений никто бы не допустил, чтобы словами многочлен и полином называлось бы в точности одно и то же. Да и формулировки теорем и определений, мягко говоря, оставляют желать лучшего. Сличение разных учебников показывает, что их авторы не удосужились согласовать тексты так, чтобы избежать редакционных разногласий, не продумали, о чем нужно сказать в начале, а о чем в конце, и т. п. С такой расхлябанностью нельзя заниматься описанием новых видов…

Видимо, и про физику нужно учиться писать так, чтобы это было понятно представителям других специальностей, но сохраняя научность, не уходя в безответственные разговоры. Такие книги, разумеется, есть, но до какого-то времени занятия в университете существенно отличались от таких книг, с точки зрения высокой науки незначимых.

Положение изменилось, когда наш ректор ввел межфакультетские курсы, на которых, по его замыслу, как раз и нужно было рассказывать о новых научных идеях, и так, чтобы слушатель понял сказанное и при этом не должен был окончить хотя бы три курса физфака.

Не могу сказать, что мы все были в восторге от этой идеи. Уж очень мы привыкли к мысли о том, что про физику или математику нужно говорить профессионально, а об истории искусств каждый культурный человек будет с легкостью рассуждать, развлекаясь. Не могу забыть, как в начале 1990-х мы с немецким соавтором ехали из Берлина в Бонн. У нас была возможность сделать остановку в Магдебурге, где я бывал и до этого, а он – еще нет: Германия объединилась лишь недавно. У нас возникли разногласия. Я настаивал на осмотре собора со знаменитым монументом Эрнста Барлаха, а он был уверен, что нужно смотреть музей Отто фон Гёрике, открывшего вакуум. Нам так и не удалось договориться.

Сейчас ясно, что с таким подходом убедить налогоплательщиков давать деньги на физику будет трудно. Нужно учиться говорить понятно для непрофессионалов.

Мы прочитали курс по математическому моделированию как межфакультетский. Потом стало ясно, что он полезен и нашим студентам.

В этой книге я попытался переработать содержание тех частей курса, которые рассказывал сам. Скажу честно, я не знаю, как писать такие книги, но хочу научиться.

Посмотрим, как у меня получится.

Время написать эту книгу нашлось из-за пандемии коронавируса. Пришлось уехать в глухую деревню в муромских лесах. Интернет был, но было и свободное время.

Безусловно, эта книга – не учебник физики и тем более не учебник по всем тем смежным вопросам, которые упоминаются в книге. Чтобы иметь о них представление, нужно обратиться совсем к другим книгам. Скорее это часть большой саги о жизни, из которой можно узнать, в частности, о том, как и для чего работают физики. По крайней мере, некоторые.

Мы собираемся поговорить о том, как устроена современная физика в той ее части, где существенно востребованы современные математические идеи (таких областей физики – большинство). Разумеется, мы обсудим и то, что интересно мне лично, – просто потому, что на другие темы должны говорить люди, на них специализирующиеся. Я занимаюсь магнетизмом небесных тел – в широком смысле слова. Чем же отличается эта область физики от всех прочих многочисленных областей?