Физика? Нет ничего проще! Возвращение физики

© Александр Александрович Фролов, 2023

ISBN 978-5-4485-0021-3

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

От автора

Физика как элемент культуры общества покинула нас в конце прошлого века – начале нынешнего. Она столько натворила, что инженерии и технологии еще долго расхлебывать. Натворила и почила на лаврах. Стала далекой, недосягаемой и потому такой сложной и непонятной. Общество, уставшее от войн и взлетов прогресса, ударилось в потребление. Потребление же обеспечивают инженерия и технология, но никак не наука и подавно – не физика. Тогда зачем она нормальным людям?

Культура – это совокупность всех достижений человечества, которые можно передать людям или иным разумным существам. Можно, но не всегда нужно. Вот и не вошла физика в современную культуру. Дальше – больше (это называется положительной обратной связью). Уже никто не хочет в физики, как это было в 50-х годах прошлого века. Днем с огнем не сыскать учителей физики, понимающих предмет. Да и откуда? Ведь их учили те, для кого физика уже стала сложной и потусторонней. Объемы курсов научных основ предмета и методики его преподавания соотносятся в педагогических вузах примерно как 5:95. Ну и что методизируем? Вот и развиваются идеология и практика «объяснения физики простым языком» (слава Богу, пока рекомендуется нормативный). Растет убожество иллюстраций в школьных учебниках, из которых исчезают физические величины и законы физики в присущих ей разумных формах. Сама физика в образовательном процессе и в познавательной практике человечества – в глубокой спячке.

Да, есть где-то там, далеко-далеко, «андронный коллайдер», как говорят порой дикторы телевидения. То и дело всплывают сообщения об «открытиях», чаще всего – на уровне желтой прессы. Не надо обольщаться. Просто в оставшихся в живых лабораториях все еще идут «вычерпывание» и «долизывание» того, что физика натворила в прошлом веке. Теми, кто вполне заслуженно носит почетное звание далеких от жизни очкариков в белых халатах, получающих в разных странах за это заслуженно разные деньги.

Да, есть выдающиеся педагоги-физики и физики-методисты, которые понимают сущность предмета и его назначение в школе. Но они – робинзоны в океане бессмыслицы преподавания физики. Ни в какой сфере жизни общество не сможет удержаться на единицах, и здесь – тоже.

Обыватель – это не обидный ярлык. Обыватель – это почетное звание человека, личности, бытующего на этой Земле, реализующего себя в отведенное ему жизнью время. Лучше – реализующего успешно. Эта успешность зависит от того, насколько правильно он умеет смотреть на мир, насколько адекватно он его себе представляет и насколько адекватно изменениям в этом мире он действует. Адекватность как компетенцию может обеспечить только наука – система постоянно развивающихся знаний о реальном окружающем мире и внутреннем мире человека. Так что учиться надо науке, точнее – научному мышлению. А учиться надо от простого к сложному. Ведь падение материальной точки заведомо проще, чем организация повседневной успешной и благополучной семейной жизни. Вот физика и введена на уровне коллективного бессознательного в школьную и ряд других образовательных программ, чтобы передавать людям завоеванную эволюцией структуру научного мышления. И надо во что бы то ни стало вернуть ей возможность выполнения этой почетной задачи.

Что касается Большой Физики… Ей скоро пора просыпаться. Летят к Земле астероиды. Нам надо лететь на Марс, а способы перемещения – не те. Плохо пахнет экологическая обстановка, а физические способы ее изменения и даже понимания – не те. Да и вообще – осталось всего-навсего каких-то три-четыре миллиарда лет, и наше Солнце бабахнет Сверхновой. Надо будет вовремя сменить место жительства. Надо разобраться – что там, за чертой Большого взрыва. Надо, наконец, наладить осознанное использование физики в образовательном процессе для обучения думанью. Надо… Много чего нам надо от физики. Пора ее будить в общественном сознании. И для начала неплохо было бы понять, что будить-то собираемся. Ну а потом уже – как будить. Лиха беда начало. И я подумал: а почему бы не начать?

Александр Фролов,

2017 год

Введение

Книга посвящена физике. А не ее математическому обеспечению. И потому вовсе не нуждается не то что в злоупотреблении математическими выражениями, а и просто в их употреблении. Поняв, что такое физика и как она устроена, как она описывает мир, субъект физического познания мира сходит на описанный в книге «математический базар» и найдет в его развалах любой необходимый инструмент, профессионально изготовленный специалистами вроде Ньютона, Фурье, Лагранжа, Галуа или Колмогорова. А здесь – просто физика как она есть. Голая, пока невооруженная, еще ничем конкретным не занявшаяся и оттого особенно беззащитная в ее непонимании нормальными зубрилами всех уровней.

Книга посвящена физике. В представлении автора и тех, кто его учил этому представлению. Автор просто постарался посмотреть на физику как можно проще, как учил старый монах-иезуит Оккам. Оказалось, что эта простота достаточно трудна, и многие ее стороны физики и физиковеды чаще всего обходили, как-то получая свои решения и не оставляя следов построения понимания. Ссылок, значит, не оставляя автору для почтительного цитирования. Например, сказал Роберт Фейнман что-то по поводу эквивалентности физического закона и определения физической величины – но как сказал! Разбросав части размытого высказывания по стопе «Фейнмановских лекций по физике», не утруждая себя «показыванием», которое является сущностью научного подхода и на которое можно сослаться. Фейнман был велик, и ему было не до этого, впрочем, как и другим классикам физической науки. Вот автору этой книги и приходилось показывать (уж как мог!), так порой ни на кого и не ссылаясь. За исключением, разве что, себя, любимого. Некоторые технологические аспекты понимания физики – такие, например, как алгоритмизированный подход к введению определений понятий и физических величин – так и остались беспрецедентными. Опять же – не на кого ссылаться, кроме упомянутого выше… Вот и бедна книга ссылками. При всем безусловном почтении автора ко всем предшественникам в этой области. Истина-то дороже! Хочется надеяться, что читатели поймут и простят.

Книга посвящена физике. А у физики, как и у всей науки, нет лица. Она идет себе сквозь мир бесчеловечным терминатором, оттачивая простейшие научные модели и через них описывая этот мир. Но понимать мир в его модельных представлениях – удел людей, у которых лица есть. Вот и у автора есть сложившееся лицо, от которого он рассматривает операциональную структуру (и тем самым – сущность) физики. Поэтому с ним, автором, можно дискутировать, чего не стоит делать с физикой. И автор всегда будет рад обмену мнениями, разумеется – аргументированными. Но для этого все же надо, как минимум, прочитать книгу.

Книга посвящена физике. И, соответственно, ее будущему. А это будущее тесно связано с качеством трансляции представлений о физике, без которых невозможна трансляция физического знания о мире. Дела с физическим образованием, в особенности – в рамках общего образования, нельзя считать благополучными. В связи с этим необходимо, по крайней мере, обозначить на образовательной карте основные области неблагополучия. Автор уже давно старался внести в эту картографию свой посильный вклад. Сначала написав много ранее пособие «Язык, закон, задача в курсе физики средней школы». Затем развив этот подход до «Технологии интеллектуального образования». Теперь вот с этой «Технологией» возвращаясь к физике. А там уж, миром да собором, глядишь – и изменим судьбу физики в лучшую сторону.

Судьба же предлагаемой книги – оказывать помощь в понимании физики как при первом знакомстве с ней, так и при осмыслении и переосмыслении уже сложившихся ранее физических представлений. Для содействия реализации этой судьбы автор в первой главе постарался отстоять свое право иметь и высказывать собственную точку зрения на сущность физики и ее нынешнее состояние в науке и образовании. Для того, чтобы говорить о физике как отрасли науки, вторая глава посвящена «отшелушиванию» эмоциональных, экономических, организационных и прочих одежек научной работы, под которыми эта самая сущность науки тщательно прячется – иногда нечаянно, иногда – злонамеренно. Такая уж у нее, сущности науки, социальная природа – мимикрировать и прятаться, прятаться и мимикрировать с целью прокорма, выживания и подспудного насаждения в обществе здравого смысла, как бы оно ни упиралось. Третья глава – о думанье и его структуре. Мыслят все; думают, увы, немногие. Физика учит думать. Для этого физика говорит с нами на языке, который стараниями современного образования утрачивается, как были на уровне общедоступности утрачены, например, санскрит и иврит, выжившие только в узких кругах для богослужений. Иврит реставрировали. Почему бы не реставрировать и восстановить в правах, с учетом современных научных представлений, язык физики? Об этом – четвертая глава. Волки, Балу, Багира и Каа чтут закон джунглей, хотя и не могут определить соответствующего понятия. Бандерлоги не чтут закона, не знают его и, главное, не хотят знать. Мы – не бандерлоги, мы – люди, которых физика должна учить закону, и мы должны понимать, что это такое и учиться устанавливать законы самостоятельно. Тем, кто заинтересован, пятая глава поможет в этом. Все, что мы делаем в этой жизни – нескончаемая последовательность решения задач. Несть числа легендам о методах и способах их решения. А подход к решению задач – один, и именно физика учит этому на всех уровнях научно-познавательной и образовательной деятельности. Как она это делает (должна делать) – внутри себя как отрасли науки и за своими пределами – показано в шестой главе. И, наконец, что творится и что должно твориться в физическом образовании для того, чтобы физика выжила и вернулась к нам, рассмотрено в последней, седьмой, главе книги.

Остается пожелать немедленного применения на практике того, что может дать читателю книга – это пожелание автора самому себе. А читателю – вдумчивости и успешности такого применения.

Глава 1. С какой стати?

Свершения в любой области бывают большими и малыми. И те, и другие могут иметь как социальную, так и сугубо личностную значимость. У каждого из этих свершений – свои масштабы. К свершениям приходят нации, государства и отдельные люди. Свершения есть всегда.

Другое дело – наука. У нее нет масштабов. Она просто есть или ее просто нет. В науку приходят или не приходят. Порой так и не приходят, проработав всю жизнь в научной организации, написав множество работ и даже оставив в ней вполне позитивные следы. В физике, как самой простой отрасли науки, это просматривается особенно ярко. Трудоголик Альберт Эйнштейн с пятилетнего возраста, задумавшись над природой поведения стрелки компаса, шел в науку, с точки зрения окружающих, достаточно кружным путем. На самом деле он шел туда прямолинейно, размеренным неотвратимым шагом римского легионера, последовательно решая, казалось бы, самые разные задачи, обратившие на себя его внимание. И пришел, оставив после себя поле понимания в множестве работ, оказавших влияние на развитие не только физики, но и других отраслей науки. «Озаренец» Рудольф Мёссбауэр, такой же нобелевский лауреат, как и Эйнштейн, не оставил после себя ничего кроме нескольких статей по эффекту, носящему его имя, и текста нобелевской речи. Трудно предположить, что он видел «научное поле» физики, то есть саму физику как научное здание. Поэтому он не мог сам принимать участие в трансляции как физического знания и понимания мира, так и научного знания, научного подхода в целом. Это ни в коей мере не снижает уважения и почтения к Мёссбауэру как к научному работнику, подарившему миру уникальный и потрясающий инструмент исследования глубин строения вещества.

К тому, что такое наука и научная работа и как они соотносятся друг с другом, мы вернемся в следующей главе книги. А здесь рассмотрим на конкретном примере, как может приходить в науку и, тем более, в физику, обычный человек. Мы никогда не знаем и не узнаем, что думает и чувствует другой, идущий и приходящий в науку своим неповторимым способом. Поэтому можно анализировать только свои ощущения, чувства, мысли и поступки с целью поделиться опытом – удачным или неудачным – для того, чтобы другим идущим было легче выбирать свою собственную траекторию вхождения в науку и, в частности, в физику. Ну и, разумеется, ответить на первый традиционный вопрос, который представители большинства так любят задавать желающим высказать свою точку зрения: «Кто ты такой (чтобы судить о физике и ее трансляции)?».

1.1. Докатиться до физики

Мне посчастливилось расти на окраине города, который ныне называется Алматы, расположенного в предгорьях хребта Заилийский Алатау. Сад был полон не только разнообразных растений, но и диковинных птиц, насекомых, улиток, иногда – ежей и ящериц. В отсутствие современных гаджетов и других соблазнов ухода от реальности все это кипение жизни привлекало внимание мальчика-дошкольника, родители которого были внимательны к его воспитанию, но, тем не менее, существенно заняты восстановлением нормального течения жизни, нарушенного только что окончившейся войной. А в доме – библиотека в целую стену, да еще два застекленных шкафа с энциклопедиями, заманчиво поблескивавшими тиснением корешков переплетов. Поскольку никак не меньше четверти этой библиотеки было посвящено природе во всех ее проявлениях, начав читать примерно с четырех лет, я читал сказки в гораздо меньшем объеме, чем Брема, Мензбира и других зоологов. Наибольший интерес у меня вызывали птицы, ящерицы и змеи. Лягушки и жабы – тоже, но не в такой степени. Мудрые воспитатели поддерживали эти интересы, а некоторые – по крайней мере не порицали. И вот годам к двенадцати я обзавелся (естественно, через тех же воспитателей, в первую очередь – своего деда Павла Николаевича Комарова) аж двумя научными руководителями из Института зоологии Академии наук Казахской ССР. Орнитологию я постигал под руководством Мстислава Николаевича Карелова, оставившего нам впоследствии капитальный пятитомный труд «Птицы Казахстана». Герпетологию сделал для меня интересной и понимаемой выдающийся научный работник, первый герпетолог Казахстана Константин Петрович Параскив, столетие которого зоологическая общественность отмечала в 2011 году. До сих пор меня потрясает то обстоятельство, что эти люди возились со мной, уделяя мне достаточно много времени, терпя мои естественные возрастные глупости и поддерживая склонность к живой познавательной деятельности. Главное, что они дали мне – это представление о классификационной основе научного подхода.

В это время в школьных курсах ботаники и зоологии безраздельно царствовал академик «от сохи» Трофим Денисович Лысенко, вошедший в историю генерацией и поддержкой доморощенных идей, позже все-таки признанных псевдо- и антинаучными, а также отличившийся гонениями генетики и генетиков. Это потом, много лет спустя, я пойму, что сознание отфильтровывает положения непонятного происхождения, а их дальнейшее развитие и продвижение либо заведомо злонамеренны, либо свидетельствуют об определенных пробелах в умственном развитии. А тогда, в школе, просто «учил». Как все. Не очень-то и стараясь понять. Вот так научное развитие шло своим путем, а школьное – своим, и противоречия как-то не всплывали.

То же самое происходило и с физикой. Послевоенные учителя были в большинстве своем на порядок квалифицированнее и преданнее своему делу и своему предмету, чем их сегодняшняя смена. Но и они не могли похвастаться пониманием физики, поскольку школьные учебники содержали те же физические и психологические ошибки, что и сейчас. Чего стоил только «приемник А. С. Попова»! Технические решения и изобретения, лежащие в плоскости инженерии и не имеющие к физике отношения, выливались в картинку, которую в качестве шпаргалки рисовали на ладони – понять все эти разряды, проводочки, соединения и постукивание молоточком по когереру было просто невозможно. Формулировка первого закона Ньютона (да еще в путанице со следствием из него) сводила с ума. Так что – наизусть. Что такое электрический заряд – естественно, никто не понимал – ни мы, ни учитель. Наизусть. И так далее. Ну как тут не возненавидеть эту муть?! И мозг послушно ее отвергал.

И вот к концу обучения в школе (а оно тогда было десятилетним) явное противоречие между интересом к окружающему миру и отсутствием инструментов его познания в своем внутреннем мире привело к тому, что я с ужасом осознал собственную умственную несостоятельность, неумение думать, совершая в голове определенные действия, приводящие к надежным и устойчивым результатам. Стало страшно и непонятно, как жить и действовать дальше, в неотвратимо надвигающейся взрослой жизни. И стало ясно, что надо учиться думать, а то… К этому времени у меня уже сложилось убеждение, что обучение должно продвигаться от простого к сложному. И вот когда накатило осознание, что падение камешка описать и понять в принципе проще (хотя и это надо уметь), чем поведение приятеля или, тем более, приятельницы, я заплакал. При родных и близких. Это даже вошло в семейную легенду. Отличник, спортсмен, юный научный работник и достаточно трудный для родителей и правоохранителей детина – рыдает! Потому как осознает, что дорога к научению думанью лежит через непонятную и потому ненавистную физику, которая проще всего по определению. Но спортивные и «трудные» качества уже научили заламывать себя в случае необходимости. И пошел я на физфак университета.

В те годы физика была чрезвычайно модной. Такова уж людоедская сущность общества: нужны бомбы и электростанции – призовем побольше народу и отберем кого надо. В первую очередь – для решения срочных разовых задач. А что остальные – в отвалы, так это дело привычное. И рвались на физфаки толпы вчерашних школьников, очарованных жутковатым фильмом «Девять дней одного года» и подобными ему средствами психологической обработки. Сдавали пять вступительных экзаменов при конкурсе двадцать пять человек на место и, набрав двадцать пять баллов, поступали, если были еще успешными спортсменами, общественниками или обладателями иных задокументированных талантов. Так что выбирать было из кого.

1.2. Знакомство с физикой

Поступил. И вот тут обнаружилось, что вчерашнему школьнику, привыкшему к восприятию образовательных предметов как совершенно не связанных между собой, приходится проходить через «первое сито». Либо ты хотя бы отдаленно догадываешься о системности получаемого образования и терпеливо пытаешься понять, какое на самом деле отношение имеют математический анализ и прочие предметы к физике, либо ты не выдерживаешь и сходишь с дистанции. Тем или иным способом. Чаще всего – меняя специальность и не понимая, что там, в новой специальности, ты будешь так же несистемен и бездумен, как и здесь, на физфаке.

Отправляясь в физику и уже имея какой-то юношеский опыт научной работы, понимаешь, что без интереса к тому или иному конкретному физическому явлению ты просто не сможешь на самом деле учиться. Это сейчас мне понятны трудности формирования внешней и, особенно, внутренней мотивации в отношении определенной деятельности. А тогда приходилось выбирать «на ощупь» и «на глазок». Повезло, что «глазок» заметил кристаллы и удивительное явление их роста. Заметил благодаря тому, что в этой области работал близкий родственник, принимавший участие в моем воспитании. Вот и обратил я внимание на рост кристаллов. Но как здесь работает физика и, тем более, другие предметы, начинать понимать приходилось с нуля.

Пока на первых двух курсах читались общие дисциплины, я обнаружил много нового вообще в плане отношения к пониманию. Геометрический и физический смысл производной, дифференциала и интеграла, теории функций и их поведения в окрестности точки в связи с возможностями физических экстраполяций – все это было принципиально ново и требовало для реального усвоения усилий раба на плантации. Именно в то время у меня сложилась идеология опережающего рассмотрения тем и предметов. Предварительное самостоятельное разбирательство, с опережением программы на день или на год, позволяло осмысленно подходить к предметным курсам и своевременно осознавать возможности приложения их материала к тому, что меня интересовало. Так, ряд курсов я ухитрился пройти на мехмате. Особенно меня волновали матрицы и операторы. Кто бы мог предположить, что почти через пятьдесят лет реальное понимание этого материала позволит создать матричное представление научно-познавательной модели интеллекта с принципиально измеримыми компонентами [7]! Заодно удалось относительно самостоятельно на приемлемом уровне разобраться с векторными и тензорными алгеброй и анализом. И все это – ради понимания возможностей описания кристаллов.

Однако самым неожиданным оказалось почерпнутое из курса общей физики представление о предельной до грубости принципиальной простоте физических моделей. С этим труднее всего было примириться: ведь все – от школьного курса до художественной литературы – преподносили физику как нечто таинственное, романтичное и, в первую очередь, чувственно-эмоциональное. Выдавливание этой чуши из себя по каплям заняло потом большую часть остальной жизни. И, в конечном итоге, привело к пониманию ситуации на уровне второй главы этой книги.

И вот к середине третьего курса (а всего их было шесть) начали более или менее осмысленно различаться слова, произносимые лекторами, и значки, которые они писали на огромных досках физических аудиторий. Лекторы были фантастическими. Все слышали о Ландау, многие учились по учебникам Соколова и Давыдова и целой плеяды других украшений физической науки. А мы имели возможность задавать им вопросы между лекциями и парами. И получали ответы, можно сказать, «из первых рук». Это здорово стимулировало. Доходило до анекдотических случаев. Владимир Иванович Григорьев, тогда еще доцент, так читал курс «Электродинамика», что целый поток (250 человек) слушал, развесив уши, забыв про конспекты. Клянчили потом конспекты у старательных девочек, которые ушей не развешивали, но и красоты электродинамики в этом исполнении не осознали.

На третьем курсе при распределении по кафедрам я пришел на кафедру физики кристаллов, которой руководил легендарный Алексей Васильевич Шубников. Какие там (как и на всем физфаке) были преподаватели! Какие люди! И как они с нами возились! С третьего курса и до окончания университета я безвылазно работал в проблемной лаборатории роста кристаллов, которой заведовал Леонид Николаевич Рашкович. А непосредственным моим научным руководителем был Владимир Карлович Яновский, потрясающий научный работник и человек. Он целенаправленно шел к высокотемпературной сверхпроводимости, но проиграл во времени в честной конкурентной борьбе, и Нобелевскую премию получили другие. Но росту кристаллов меня научили. И много еще чему. Вот тогда я и понял, что нет более страшного врага научного работника, чем узость. Вырастить впервые кристаллы перовскита размера, достаточного для проведения физических исследований, установить пространственную группу их структуры, исследовать ряд физических свойств… И все это время меня ласково подгоняли кнутом самолюбия, заставляя использовать то, чему учили. Позже, спустя лет двадцать, то, чему учил в своих курсах выдающийся симметрист Владимир Александрович Копцик, позволило мне предложить корректную теоретико-групповую модель структуры ближнего порядка в расплавах конгруэнтно плавящихся веществ [2].

Все это написано в попытке передать, как тщательно и доброжелательно нас учили, готовя к профессиональной научной деятельности. И как порой по-детски несостоятельно, но настырно и самоотверженно учились мы. Отнюдь не забывая и о том, что наполняло мир кроме физики и науки вообще.