Фундаментальный потенциал содержания физики как науки и учебного предмета

Современный этап общественного развития, называемый постмодерном, становление которого связывают со второй половиной XX в., характеризуется качественными изменениями в экономическом, политическом, эстетическом, религиозном мыш лении общества со свойственными ему чертами неоднородности, нелинейности, стохастичности, бифуркационности, плюрализма взглядов, подходов, концепций объяснения процессов Материального и духовного развития мира в целом и его отдельных © Н.А. Читалин, ТО. Фарзан, 2002

частей, признанием человека в качестве составной, притом существенной, части Универсума. Поэтому приоритетом современной образовательной парадигмы, базирующейся на концепции фундаментализа-ции образования, являются приобретение методологически важных, долгоживущих, инвариантных, универсальных, меж- и трансдисциплинарных знаний, способствующих целостному научному восприятию мира, формирование качественно нового уровня культуры рационального мышления, плодотворного не только для проблем локального знания, но и для всей сферы познавательной деятельности, включающей в себя обе ипостаси общей культуры - естественно-научную и гуманитарную.

Учебная версия такой фундаментальной науки, как физика, уже по определению обладает статусом фундаментальности, однако для достижения указанных целей образования должна быть подвергнута серьезной реконструкции.

Физика занимает особое место среди наук о природе. Понятия и законы физики отражают низшую из основных форм материи, не являются следствиями других естественных наук и не требуют для своего обоснования привлечения знаний других наук. Вследствие этого физика представляет собой самодостаточную область знаний и имеет ранг фундаментальной науки. Физические понятия и законы составляют фундамент всего естествознания, а также прикладного технико-технологического знания. Кроме того, в физике вырабатываются базовые модели познания, на которых основано познание личностью обширных фрагментов действительности.

Можно выделить ряд направлений фун-даментализации физического образования в средней и высшей школе:

• -    вычленение фундаментальных идей науки, лежащих в основе изучаемого предмета - физики;

• -    выделение фундаментальных знаний с позиции значимости для формирования и развития личности;

• -    выделение фундаментальных основ с позиции необходимости для будущей профессиональной деятельности и дальнейшего профессионального образования.

Реализация первого из названных направлений, заключающаяся в поиске сквозных физических фундаментальных и базисных моделей, понятийного аппарата и общефизических и методологических идей, отвечающих современному уровню осмысления естествознания, наталкивается на объективные трудности. Во-первых, это отсутствие фундаментальных теорий, описывающих обширные фрагменты физической реальности (например, элементарные частицы), во-вторых, дискуссионность проблемы единства физического знания и. как следствие, кажущаяся автономность различных областей физического знания, что позволило такому выдающемуся физику современности, как Р. Фейнман, утверждать: «Сегодня наши физические теории, законы физики - множество разрозненных частей и обрывков, плохо сочетающихся друг с другом. Физика еще не превратилась в единую конструкцию, где каждая часть на своем месте. Пока что мы имеем множество деталей, которые трудно пригнать друг к другу» (Фейнман Р. Характер физических законов. М., 1968).

Действительно, сложность проблемы единства физического знания определяется прежде всего колоссальным разнообразием явлений, называемых физическими. Физика освоила явления в пространственно-временной области от I0'7 до 1028 см и от Ю 24 до 1017 с, теоретически же - от 10 33 см и 1 О"43 с до «бесконечности». В этой области существуют качественно разнородные объекты и явления: микроскопические, макроскопические, небесные тела, скопления галактик и процесс эволюции Метагалактики в целом; осуществляются взаимодействия, различающиеся по своей силе на 40 порядков (именно таково отличие сильного взаимодействия элементарных частиц от гравитационного). Физика изучает такие процессы, как пространственное перемещение, электромагнитные явления, ядерные реакции элементарных частиц, теплота, тяготение, изменение агрегатных состояний вещества и др., подчиняющиеся совершенно разным законам и проявляющиеся на разных уровнях организации материи.

Обнаружение глубокого внутреннего единства всех физических явлений стало возможным лишь в прошлом столетии после создания теории относительности, релятивистской космологии, квантовой механики, неравновесной термодинамики, а также успехов физики элементарных частиц. Кроме того, последние десятилетия XX в. были ознаменованы поиском теорий, объединяющих все фундаментальные физические взаимодействия, разработкой идей философского характера, позволяющих обосновать единство физического знания.

Решение проблемы структуры физического знания неразрывно связано с классификацией форм материи и движения. В настоящее время основой такой классификации служит идея развития. Следуя Б.М. Кедрову (см.: Кедров Б.М. О современной классификации наук. М.. 1983). выделяют ряд основных форм материи и соответствующих форм движения: физическую, химическую, биологическую (биотическую) и социальную. Каждая из них представляет собой определенный уровень развития материи, выступает как целостная система, включающая в себя ряд частных форм: химическая - атомный, молекулярный и надмолекулярный уровни, биологическая - одно- и многоклеточные формы. Взаимодействие основных и частных форм в ходе эволюции приводит к образованию комплексных форм: космической, планетарной, геологической и географической. Многообразие форм движения невозможно расположить в линейный ряд по степени сложности. Этот ряд разветвляется, в нем есть параллельные и пересекающиеся звенья.

Формы материи и соответствующие им формы движения представляют собой ступени развития: каждая последующая форма возникает в ходе развития предыдущей, включает в себя последнюю в качестве «побочной», подчиненной формы.

Вся природа за вычетом двух ее высших уровней - биологического и химического- получила название физической. Физические формы движения материи занимают в этом ряду особое место, поскольку для своего существования не нуждаются в наличии каких-либо других форм. В естествознании конца XIX - начала XX в. преобладала точка зрения, согласно которой физическая материя конечна в своей структуре - в основе наличного многооб- разия физических явлений лежит некая единая проматерия. Произошедшее затем осознание качественной бесконечности природы привело к новой постановке проблемы физической материи: существует ли единая основная физическая форма материи. или в «дохимической» природе есть множество различных основных форм, отличающихся друг от друга так же, как химическая от биологической или последняя от социальной?

В физической форме Ф. Энгельс выделил механическое движение как простейшую форму, включенную в любую другую форму. Вслед за ним в порядке возрастающей сложности шли теплота, свет, электричество, магнетизм. Развитием естествознания были сделаны уточнения: световые, электрические и магнитные явления сливаются в одну группу электромагнитных процессов, подчиняющихся единой группе законов. Носителем этих процессов оказался особый материальный объект - электромагнитное поле. Теплота уже не связывается, как во времена Энгельса, только с движением молекул. Ее носители - и электронный газ, и другие ансамбли однотипных материальных объектов. Открыто много новых материальных объектов и соответствующих им новых видов движения (сильные и слабые взаимодействия в мире атомов и элементарных частиц и т.д.).

Сложность проблемы единства физической формы материи определяется еще и тем, что нижняя качественная граница ее не познана и неизвестно, существует ли единое основание огромного многообразия физических объектов (от квантовых флуктуаций вакуума до Метагалактики). Незнание нижней качественной границы позволяет сравнить физические явления только с «вышележащими», более сложными, формами материи, тогда как. например, химические явления можно сравнить и с более сложными - биологическими, и с более простыми - физическими.

Несмотря на поразительное многообразие физических объектов и явлений, между ними существует особенная внутренняя связь: все они при определенных условиях превращаются друг в друга, так что когда одни из них возникают, другие исчезают: все они обладают сходными свойствами:

массой, тем или иным «зарядом», спином, энергией.

На самом деле авторы, отрицающие единство физических явлений, не различают в должной степени основные и частные формы материи и движения, а разнообразие этих явлений может свидетельствовать лишь о том. что в пределах единой основной физической формы материи существует множество частных физических форм.

Полагается, что множество явлений составляет единую основную форму материи, если оно обладает:

• -    общими свойствами, причем такими, которые выступают основными, сущностными только для данной группы материальных явлений и неосновными, «побочными» для химических, биологических и других объектов;

• -    общими законами, которые определяют возникновение, функционирование и развитие данной группы явлений, играют для них главную роль и отступают на второй план в «нефизических» процессах;

• -    единством происхождения, ибо субстратное единство должно быть основой и вместе с тем результатом процессуального единства, единства процесса развития физического многообразия:

• - связями и отношениями, объединяющими данное множество явлений в единую целостную систему;

  -общностью механизмов явлений, принадлежащих к различным уровням физической формы материи (см.: Колобов В.Н. Диалектико-материалистическая концепция развития и современная физика. Иркутск. 1987).

Общие свойства всех физических явлений можно разделить на пространственно-временные (координата, длина, время жизни, кривизна пространства и т.д.) и масс-энергетические, определяющие характер движения и взаимодействия физических объектов, их структуру (масса и энергия, импульс, момент, спин, различные заряды: электрический, лептонный, барионный и т.д.).

Единство двух групп свойств физической реальности стало очевидным после создания общей теории относительности. Оказалось, что пространственно-временные свойства и отношения материальных явлений полностью определяются их масс-энергетическими свойствами, характером распределения и взаимодействия их материальных масс. Производность, вторич-ность пространственно-временных свойств и отношений сохраняется и в новой физике, в различных вариантах калибровочных теорий фундаментальных взаимодействий.

Итак, наиболее важные, сущностные, фундаментальные свойства физической материи на всех уровнях физической реальности - это масса и энергия. Энергия - общая мера физического движения, а масса выражает собственные свойства физических объектов, является мерой их инерции, гравитационного взаимодействия, внутренней энергии. Масса и энергия находятся в глубокой диалектической связи, отраженной соотношением Эйнштейна Е = тс2 «Материя имеет два фундаментальных качества: инерцию, измеряемую ее массой, и способность совершать работу, измеряемую ее энергией» (Колобов В.Н. Указ. соч.).

Во всем пространственно-временном интервале, освоенном современной физикой, во всех физических процессах существуют общие физические законы. Единство всех основных законов природы во всем наблюдаемом объеме и в течение всей эволюции Вселенной - главный результат, надежно установленный астрофизикой. Законы электродинамики, теории относительности, квантовой физики действуют в макро- и мегамире сегодня так же, как и двадцать миллиардов лет назад. Физические процессы разнообразны, законы их движения. отображаемые обычно в виде дифференциальных уравнений, существенно отличаются друг от друга. Однако все эти явления характеризуются единой величиной - действием, которое в любом реальном физическом процессе достигает экстремума (как правило, минимума), так что принцип наименьшего действия лежит в основе любой физической теории.

Кроме законов движения, отображающих эволюцию состояния системы во времени, во всех физических процессах действуют законы сохранения (их в настоящее время известно около двадцати), связанные с определенными внешними пространственно-временными и внутренними структурными симметриями физических систем. Важ- нейший из них-закон сохранения энергии-импульса - выражает единство физической реальности, неповторимость и не-уничтожимость физического движения.

Единство происхождения всех физических объектов надежно подтверждено современной космологией. Каждый физический объект возникает на определенной стадии эволюции Вселенной (от Большого взрыва через дорекомбинационную к послереком-бинационной стадии).

Единство физической формы материи проявляется и в общности механизмов, казалось бы, совершенно различных физических процессов. Так, в процессе мучительного поиска последнего пятидесятилетия было выявлено сходство в описании трех фундаментальных взаимодействий. Все они (слабое, сильное и электромагнитное) обусловлены обменами векторными бозонами (см.: Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М., 1988). Источником всех полей взаимодействия являются заряды и токи соответствующих переходов. Все взаимодействия имеют сходную структуру и вызываются локальным взаимодействием заряда или тока перехода с бозоном, отвечающим данному взаимодействию. Кроме того, создание синергетики продемонстрировало единство процессов самоорганизации на различных структурных уровнях физической реальности. Так, макроскопические представления о фазовых переходах работают и в области микромира в калибровочной энергии электрослабого взаимодействия.

Сказанное позволяет утверждать, что физические объекты и процессы образуют единую основную физическую форму материи и соответствующую единую форму движения, включающую в себя множество частных физических форм материи и движения, называемых «масс-энергетически-ми», в то время как другие основные формы движения являются в этом смысле «над масс-энергетическими». Физические процессы отличаются мощными потоками энергии, причем чем проще фундаментальное физическое взаимодействие, тем большие количества энергии высвобождаются в таких процессах.

Структура физической формы материи, наличие ее дискретных уровней определя- 68

ется в конечном счете квантом действия, существование которого объясняет тождественность элементарных частиц, ядер и атомов одного сорта, их устойчивость, пути превращения друг в друга. Введение кванта действия в число фундаментальных мировых констант наряду со скоростью света в пустоте и гравитационной постоянной позволило определить естественные эталоны длины, времени, массы. Мировые постоянные могут быть интерпретированы как ограничения, наложенные природой на значения физических величин, а планковс-кие значения длины, времени и массы (комбинации этих констант) - как пределы применимости существующих физических понятий, как, наконец, иерархии структурных уровней физической формы материи, но. разумеется, не материи вообще.

Суммируя все изложенное, следуя М.В. Волькенштейну. «физику можно определить как науку, изучающую строение и свойства всех видов материи - веществ и полей и формы существования материи -пространство и Время» (Волькенштейн М.В. Современная физика и биология // Вопр. философии. 1989. №6).

Структура физического знания соответствует структуре объекта познания. Развитие познания отражается в борьбе двух противоположных тенденций-дифференциации и интеграции. В физике XVIII - начала XIX в. происходили грандиозные интеграционные процессы в пределах отдельных фундаментальных теорий: экстенсивное развитие механики, становление теории теплоты, электродинамики. Однако наблюдалось разложение этих фундаментальных теорий. В конце XIX-начале XX в. возникают две фундаментальные теории, две важнейшие оси современной физики: теория относительности и квантовая механика, которые как более общие теории включили в себя многие предыдущие теории как предельные случаи. Все усиливающаяся дифференциация физики, размножение ее производных, прикладных разделов сочетается с все углубляющейся интеграцией базовых фундаментальных теорий, количество которых имеет тенденцию к сокращению.

Само выделение фундаментальных физических теорий в современной физике довольно однозначно и четко проведено в курсе теоретической физики Л .'Д. Ландау и Е.М. Лифшица. В число фундаментальных теорий динамического типа входят классическая механика Ньютона, механика сплошных сред, термодинамика, макроскопическая электродинамика Максвелла, теория гравитации. К статистическим теориям относятся классическая статистическая механика (или более обще - статистическая физика), квантовая механика, квантовая статистика, квантовая электродинамика и релятивистские квантовые теории других полей. Все остальные многочисленные виды физического знания (физика плазмы, атома и ядра, гидродинамика и др.) являются производными этих теорий.

Единство фундаментальных физических теорий заключается:

• -    в общности основных понятий (масса и энергия, например);

• - единстве принципов инвариантности по отношению к определенной группе преобразований (лоренц-инвариантности);

• -    общности законов (законы сохранения);

• - универсальности мировых констант, отображающих качественные границы между различными частными формами движения;

• -    преемственности, выражаемой принципом соответствия;

• -    наличии одних и тех же математических форм для описания разных физических явлений (уравнения движения);

• -    применении методов одних теорий для решения проблем других (например, понятий гидродинамики - для описания эволюции Метагалактики).

Новейшая история физики обнаруживает тенденцию к синтезу фундаментальных физических теорий в единую концептуаль-ную систем). Примером может служить теория электрослабого взаимодействия как синтез слабого и электромагнитного.

Вместе с тем неисчерпаемость материи вглубь, невозможность су шествования проматерии определяет и невозможность построения в физике абсолютно законченной и непротиворечивой теории. Согласно теореме Геделя формальная математическая система не может быть логически полной и непротиворечивой. То же самое можно сказать и о физике, ее принципиальной не-замкнутости. постоянной и неустранимой незавершенности, связанной с многообразием объектов исследования.

Особо следует отметить, что в литературе по методологии физики поднимаются вопросы о развитии физического знания, его структуре, путях и средствах формирования физических теорий и т.д. Проблема же развития физической материи и его отражения в физической теории до сих пор до конца не решена. Если прогрессивный характер развития живой природы и общества не вызывает сомнений, то относительно развития физической материи высказывается множество различных мнений, вплоть до отрицания такого развития. Однако в последние десятилетия в физике, в методологии физики сформировалась идея развития, тс. понимание неживой природы как развивающейся системы, переживающей действительную историю.

Фундаментальные физические теории -механика, электродинамика, теория относительности, квантовая физика и др.-описывают и объясняют частные формы физической материи, отвлекаясь от их истории. В них нс ставится вопрос о возникновении и развитии физических объектов, свойства и закономерности физических систем считаются нс меняющимися со временем. Это отражается и в инвариантности уравнений теорий относительно инверсии времени, т.е. прошлое и будущее не различаются.

В современной физике можно выделить два основных подхода и соответственно два типа физического знания: стру кту рно-функциональный и эволюционный. К первому относятся почти все фундаментальные и производные физические теории: механика, классическая термодинамика, электродинамика, теория относительности, квантовая физика, физика твердого тела, физика плазмы, физика атома и т.д. Эти теории строятся посредством отвлечения от вопросов истории, они отражают строение и функционирование физических систем; природа в картине мира, основанной на таких представлениях, оказывается неразвиваю-щейся иерархической системой.

Становление эволюционного подхода в физике началось в 20-е гг. XX в., когда по- явились первые нестационарные модели Вселенной. Для объяснения истории Вселенной необходимо было признать, что структурные уровни физической материи суть ступени ее развития, «астрофизические отношения», образовавшиеся в соответствующие периоды космологического расширения. Последовательное познание все более глубоких уровней в структуре материи оказывается познанием все более ранних ступеней физической эволюции. При этом возникает своеобразное взаимодействие эволюционного и структурно-функционального подходов. Релятивистская космология накладывает жесткие ограничения на всевозможные типы элементарных частиц, их свойства и взаимодействия (верхний предел массы фотонов и различных нейтрино, значения масс и времени жизнедеятельности лептонов и т.д.), на отбор наиболее правдоподобных моделей элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий. С другой стороны, успехи атомной и ядерной физики позволили выделить в эволюции Вселенной стадии рекомбинации, сверхплотной горячей плазмы, первичного нуклеосинтеза и синтеза химических элементов в звездах. Открытие элементарных частиц привело к представлению о лептонной и ядерной стадиях эволюции, гипотеза кварков - к идее о квантовой ступени развития, и т.д.

Большое значение для понимания характера и источника развития материи имеет синергетика, которая в рамках нелинейной динамики изучает коллективные эффекты взаимодействия в системе с большим количеством тождественных частиц, приводящего к самоорганизации системы. Причем механизм самоорганизации представляет собой последовательность фазовых переходов, связанных с нарушением симметрии, что означает увеличение качественного многообразия физических объектов, появление все более упорядоченных, высокоорганизованных систем. Все это позволяет утверждать, что физическая объективная реальность развивается от низшего к высшему как единая развивающаяся система. Становление теории физической эволюции должно занять в системе физического знания столь же важное место, как и теория Дарвина в биологии.

Структура всех фундаментальных физических теорий одинакова. Основными элементами этой структуры являются совокупность физических величин (наблюдаемых), с помощью которых описываются объекты данной теории; характеристика состояний системы; уравнения движения, описывающие эволюцию состояния. Состояние - это качественная и количественная определенность бытия конкретной формы материи, однозначно детерминирующая ее эволюцию во времени. Начальное состояние однозначно определяет конечное в зависимости от взаимодействий внутри системы и внешних воздействий на систему. Уравнения движения позволяют рассчитать конечное состояние системы по известному начальному, если точно известно изменение внешних воздействий со временем.

В классической механике координаты и импульсы всех частиц определяют состояние системы. Остальные величины: энергия, момент импульса, действие и др. -выражаются через функции координат и импульсов. Уравнение движения - второй закон Ньютона - однозначно описывает эволюцию этого состояния, определяет ускорение частиц в зависимости от сил.

В термодинамике состояние термодинамической системы описывается давлением, объемом и температурой, называемыми термодинамическими параметрами. Связь между ними задается уравнением состояния. Состояние системы полностью характеризуется значениями независимых параметров, или числом степеней свободы. Первое и второе начала термодинамики вводят две однозначные функции состояния: внутреннюю энергию и энтропию. Эволюция систем во времени фактически не рассматривается. С помощью термодинамики можно лишь установить однозначные связи между термодинамическими параметрами различных равновесных состояний.

В электродинамике Максвелла объект исследования - электромагнитное поле. Состояние электромагнитного поля характеризуется напряженностями электрического и магнитного полей. Вводятся еще две величины, зависящие от электрических и магнитных свойств вещества: электрическая и магнитная индукция. Уравнения Максвелла позволяют по заданным начальным значениям Е и Н однозначно определить величину электромагнитного поля в любой последующий момент времени.

Во всех фундаментальных статистических теориях понятие состояния - это вероятностная характеристика системы, поэтому состояние характеризуется вероятностью того, что значения наблюдаемых величин лежат внутри определенных интервалов. Но уравнение движения по-прежнему однозначно определяет состояние (статистическое распределение) в любой последующий момент времени по заданному распределению в начальный момент, если известны энергия взаимодействия между частицами системы и энергия взаимодействия с внешними телами.

В квантовой механике вводится новое понятие - вектор состояния (волновая функция). Временное уравнение Шредингера однозначно определяет эволюцию состояния с течением времени. Волновая функция представляет собой гораздо более абстрактную характеристику состояния, чем функция распределения в классических теориях, и имеет смысл амплитуды вероятности. Зная волновую функцию, можно вычислить вероятность обнаружения оп ределенного (в заданных интервалах) значения любой физической величины и средние значения всех физических величин.

Таким образом, можно утверждать, что фундаментальную основу физики составляют следующие положения:

• -    принцип единства и целостности физического знания;

• - эволюция физической формы материи и ее самоорганизация;

• -    ведущие фундаментальные теории;

• -    законы движения (законы Ньютона, уравнения Максвелла, законы гравитации, уравнение Эйнштейна, уравнение Шредингера и др.); принцип наименьшего действия;

• -    законы сохранения и принципы симметрии;

• -    четыре типа фундаментальных взаимодействий; поле как переносчик взаимодействия;

• -    принципы относительности, инвариантности, неопределенности, дополнительности, соответствия;

• -    масса, энергия, пространство, время, энтропия, температура, электрический заряд, магнитный момент, спин;

• -    мировые константы.