Teoretyczne minimum. Co musisz wiedzieć, żeby zacząć zajmować się fizyką – Leonard Susskind, George Hrabovsky

Decydując się na tę książkę, jako pasjonat nauk przyrodniczych, chciałem poukładać swoje wiadomości na temat fizyki i poznać czym jest tytułowe “minimum” z tego zakresu wiedzy. Ostatecznie dostałem bardzo dobry wykład na temat fizyki teoretycznej, który został skompresowany do jednej, niewielkiej ale też treściwej książki. I to bez żadnych kompromisów i uproszczeń, bo materiał nie jest wcale bardzo okrojony i zawiera właśnie to, co każdy amator fizyki wiedzieć powinien. 

Mottem przewodnim opracowania jest cytat z “Essai philosophique sur les probabilités” Pierre’a Simona de Laplace’a dotyczący determinizmu w fizyce klasycznej:

Umysł, który w danym momencie znałby wszystkie siły natury i położenie wszystkich obiektów z których natura jest zbudowana, gdyby był ponadto wystarczająco potężny aby móc te dane przeanalizować, mógłby jednym wzorem opisać ruch największych ciał niebieskich i najmniejszych atomów. Dla takiego umysłu nic nie byłoby niewiadomym i całą przyszłość i przeszłość miałby przed swymi oczyma.

Pośrednio więc, oprócz poznawana praw fizyki klasycznej zaklętej w aparacie matematycznym, zastanawiamy się wraz z autorami czy faktycznie cały Wszechświat jest w pełni przewidywalny i czy możemy za pomocą wzorów określić jego stan dla każdej chwili. Jednak nie o luźnych rozmyślaniach jest ta książka, a solidnym, z naciskiem na formalizm matematyczny, wstępem i dalszym rozwinięciem do fizyki teoretycznej w najczystszej postaci. I tak, w formie 11 wykładów, zaczynamy naszą podróż mającą na celu uchwycić prawa natury. Teoretycy mogą zacierać ręce…

Na początku mamy jednak powtórkę z matematyki – autorzy serwują nam wstęp matematyczny z zakresu wektorów, pochodnych i całek – czyli to, co jest najbardziej potrzebne do zrozumienia dalszej części książki. Jest to jednak bardziej przypomnienie niż nauczenie tego działu matematyki od zera i osoba, która wcześniej nie miała styczności z analizą matematyczną może mieć trudności z przebrnięciem tego i kolejnych rozdziałów. W dalszej części książka skupia się na kinematyce i dynamice traktującej o ruchu i siłach jakimi ten ruch jest wywołany. W ten sposób poznajemy założenia mechaniki klasycznej, podstawowe prawa i wnioski z nich płynące. Płynnie z zasad dynamiki Newtona przechodzimy przez równanie Eulera-Langrange’a do zasady najmniejszego działania i już do końca książki nie rozstajemy się z tym formalizmem. Poznając nowe definicje przechodzimy od ruchu punktu w jednym wymiarze do bardziej złożonych układów. Pojawiają się współrzędne i pędy uogólnione, przestrzenie stanów i zasady zachowania. Na te ostatnie jest kładziony szczególny nacisk, a zwłaszcza na symetrie jakie są z nimi związane (poznajemy twierdzenie Noether). I tak, analizując zasadę zachowania energii dochodzimy do pojęcia hamiltonianu i całkowicie innego podejścia do mechaniki, czyli do tak zwanego sformułowania hamiltonowskiego. Mając już wprowadzone wszystkie elementy układanki potrzebne do matematycznego opisu ruchu obiektów, autorzy przechodzą do bardziej złożonych tematów – pojawiają się oscylatory, przepływ cieczy oraz siły elektryczne i magnetyczne, gdzie bardzo zgrabnie mamy wytłumaczony sens stosowania operatorów różniczkowych, pół oraz potencjałów wektorowych i jak bardzo są przydatne w fizyce. Na sam koniec, jako dodatek, autorzy serwują nam wyjaśnienie sił centralnych na przykładzie grawitacji i ruchu planet.

Na uwagę zasługuje fakt, że autorzy nie spłycają swojego wykładu do popularnonaukowej pogadanki – mamy tutaj wzory w postaci różniczkowej i całkowej oraz prawdziwy formalizm używany na co dzień przez fizyków czy to w publikacjach czy wykładach. Dodatkowo, w książce często mamy wstawki z ćwiczeniami, które wymagają dłuższej chwili zastanowienia się i paręnaście dobrych minut obliczeń na kartce.

Książka nie jest adresowana z całą pewnością do osób które nie miały nigdy styczności z analizą matematyczną i wektorami, a fizyka klasyczna mgliście kojarzy się z zasadami dynamiki Newtona. Mamy tu co prawda wstęp matematyczny, który obejmuje wektory, pochodne i całki,  Zresztą autorzy, jak tłumaczą, napisali tę książkę z myślą o osobach które interesują się fizyką, ale z różnych przyczyn nie mogły zacząć związanych z nią studiów. Dlatego też autorzy zakładają, że czytelnik ma pewną bazę pojęć i będzie dalej pogłębiał swoją wiedzę. Stąd “teoretyczne minimum” przedstawione w książce wymaga co najmniej maksimum wiedzy z zakresu matematyki na poziomie liceum, a nawet pierwszego semestru z analizy matematycznej na poziomie studiów nauk ścisłych.

Do lektury jednak trzeba siąść z zapasem czasu i cierpliwości. Nie jest to lekka opowieść o fizyce, jak chociażby w książce “Odkryj smak fizyki” (którą również polecam). Tutaj mamy całkiem co innego. Przeplatające się dość często wzory z treścią raczej nie pozwolą efektywnie czytać “z doskoku”. Świadczy to również o wysokim poziomie merytorycznym książki, ponieważ nie mamy tutaj gotowych wyników końcowych lecz, wraz z autorami, wychodząc często z prostych lub nawet fundamentalnych założeń wyprowadzamy równania i wyciągamy z nich wnioski.

Tłumaczenie zasad fizyki teoretycznej w sposób przystępny, a zarazem poparty matematyką, to nie lada wyczyn i trzeba przyznać, że autorom to się udało. Jednak trzeba mieć te zastrzeżenie, że grupą docelową, która najbardziej skorzysta na lekturze są czytelnicy również pasjonujący się fizyką – czyli po prostu samoucy i ciekawscy natury wszechświata, niezależnie od posiadanego wykształcenia. Należy też zauważyć, że książka nie wyczerpuje tematu i nie ma w niej wnikliwych analiz przypadków, takich jakie byśmy spotkali w toku studiów. Mamy za to mocne podstawy, przez co książka zapełnia lukę pomiędzy poziomem laika i akademika. Na zakończenie, dodam, że jest jeszcze druga część „Teoretycznego minimum„, wprowadzającego czytelnika w świat fizyki kwantowej i właśnie pierwsza część daje solidny fundament pod następną lekturę…

Informacje o książce:
Tytuł: Teoretyczne minimum. Co musisz wiedzieć, żeby zacząć zajmować się fizyką
Tytuł oryginału: The Theoretical Minimum: What You Need to Know to Start Doing Physics
Autor: Leonard Susskind, George Hrabovsky
ISBN: 9788379611348
Wydawca: Prószyński i S-ka
Rok: 2015