23 апреля 2016г.
Общая физика как фундамент современной физики (в силу своей функциональной особенности) всегда оказывается перед вызовом, который ей бросает стремительное развитие науки. В 60-е годы минувшего века, в эпоху экспоненциального роста научного прогресса ответом на этот вызов явились замечательные курсы общей физики: «Фейнмановские лекции по физике», «Берклеевский курс физики» и др. Несмотря на некоторые методические недостатки, эти курсы дали примеры, как преподавание, следуя, развитию науки, должно пересматривать традиции, искать новые формы и методы.
Свыше трехсот лет темп развития науки по таким показателям, как число научных работников, количество научных журналов, число статей и средства, отпускаемые на науку, следовал экспоненциальному закону [5]. Такой бурный рост не мог продолжаться безгранично, т.к. через несколько периодов удвоения значение показателей оказывается громадной величиной, и процесс приобретает характер взрыва. И если бы средний темп роста сохранялся, то в 2000 году в России с наукой было бы непосредственно связано чуть ли не все работающее население.
Таким образом, хотя в начале XXI века уже в «постэкспоненциальную» эпоху темп роста числа научных работников уменьшается, и в развитии науки проявляется эффект насыщения. С другой стороны, требования к науке, предъявляемые жизнью и обществом, фактически не снижаются. Выход из подобного противоречия можно видеть только в одном - в повышении эффективности научной творческой деятельности, где важнейшую роль играет широкомасштабная организация передачи информации, которая до сих пор осуществлялась через периодически печатающиеся журналы, а сегодня к ним присоединился бескрайний Интернет, рожденный в недрах физических лабораторий ЦЕРНа.
Достижения фундаментальной науки через определенный промежуток времени становятся элементами общей культуры, кроме того, сокращается время между появлением самой науки и «овладением ею массами». Так, например, геометрия Эвклида стала «широким достоянием масс» лишь через тысячелетие, механика Ньютона вошла в школьные курсы через столетия после ее создания. А появление теории относительности на свет отделяют от появления в школьных учебниках формулы Е=mс2 десятилетия. Просто и кратко излагается то, что когда-то требовало многолетней работы. И логика прогресса требует включения в ближайшие годы в курсы физики новых фундаментальных достижений физики элементарных частиц: открытия кварков и глюонов, W± ,Z0 - бозонов, создание электрослабой теории Вайнберга-Салама и квантовой хромодинамики.
Известный английский физик-теоретик, специалист в области квантовой теории твердого тела Джон Займан ещё в прошлом веке в предисловии к своей монографии писал: «Сегодняшнее открытие становиться завтра составной частью той духовной обстановки, в которой протекает каждодневная исследовательская работа. К концу следующей недели оно попадает во все специальные курсы. Через месяц возникают требования включить его в программу общего студенческого курса. На следующий год, я уверен, оно покажется столь избитым, что будет считаться известным каждому школьнику». Временная последовательность периода передачи информации о фундаментальных достижениях науки обществу в XXI веке практически достигла нуля. Так сообщение об обнаружении бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе в 2012 году или сообщение 11 февраля 2016 года об открытии гравитационных волн на детекторах Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) мгновенно появились в широкой печати и на ТВ.
Сегодня, в «постэкспоненциальную» эпоху, когда для эффективной научной работы нужно обеспечить правильный подбор людей, когда должна интенсивно развиваться связь современной науки и образования, следует в государственном масштабе создавать условия для развития и отбора наиболее талантливой, творчески одаренной молодежи и для развития современного образования. И кажется разумным, сделать исключение для физики, как всеобъемлющей науки, играющей определяющую роль в жизни и прогрессе человечества (недаром XX век называют атомным, ядерным, космическим и веком ЭВМ). И во всех школах нашей страны каждый год после 10-го декабря первый урок физики проводить как «нобелевский» урок, на котором в максимально популярной доступной форме учитель, или приглашенный специалист, ученый или преподаватель ВУЗа рассказали бы о работе, получившей премию этого года.
Важным фактором в повышении эффективности научной работы является широта взгляда исследователя, которая может определяться одаренностью и талантом человека, но тут есть место и для работы высшей школы с будущими исследователями. «Одним из условий подлинного успеха в науке является широта взглядов и информированность о том, что делается сегодня в науке на весьма обширном ее фронте. На практике, однако, организация учебного процесса в вузе не решает такой задачи. Конкретно, несметное число раз я с удивлением констатировал, - пишет академик В.Л. Гинзбург [4], - что вполне способный студент-выпускник или аспирант, даже имеющий уже печатные работы, практически ничего не знает о сверхпроводимости, сверхтекучести, сегнетоэлектричестве, гравитационных волнах, нейтронных звездах, нейтринной астрономии, экситонах, черных дырах, происхождении космических лучей, жидких кристаллах, и т.д. и т.п. Не знают многие молодые физики и того, что же в данный момент волнует умы активно работающих физиков у нас и за рубежом. Между тем широта знаний необходима …» И больше всего шансов на успех у того, кто держит руку на бьющемся пульсе научной жизни.
А в преподавании общей физики в XXI веке, как и в эпоху экспоненциального развития науки, не менее остро выступают проблемы пересмотра традиций, поиска новых форм и методов изложения материала, более компактных и адекватных развитию физики в настоящее время. При создании новых курсов общей физики - основ физического мировоззрения и специальных знаний - огромное количество информации обрабатывается введением новых понятий раньше, отказом от исторического пути изложения материала и путем математизации, в чем особенно преуспели в отечественных курсах. «Достаточно посмотреть любой современный курс общей физики, например лучший из мне известных курс Д.В. Сивухина, чтобы убедиться, насколько значителен там удельный вес теоретической физики - сформулированных математически физических законов, их обсуждения и анализ, пусть и простыми математическими методами» [4]. Корректное использование математического языка, адекватного фундаментальным физическим понятиям позволяет, например, механику Ньютона излагать более экономным образом, чем во времена ее создания. А уравнения Максвелла записывать в четыре строки в векторном виде, которые сам Максвелл записывал на нескольких страницах и не в векторном виде. Согласно физическому «фольклору», ещё в прошлом веке Эйнштейн удивлялся компактности векторной записи уравнений. Избегалось в прошлом веке в общих курсах физики и упоминание о тензоре инерции и тензоре диэлектрической проницаемости, но сокращение разрыва между уровнем современной физики и фундаментальным курсом требует, чтобы математической основой курса являлись векторный анализ и начало тензорного исчисления. Тоже можно сказать и о методе Гиббса, авторы книг по статистической физике, вместо того чтобы положить в основу этот общий метод, приводили его только между прочим. На самом деле, метод Гиббса - самый прямой и самый эффективный путь к решению всех задач, которые могут быть поставлены перед статистической физикой. Это отметил Е.М. Лифшиц в предисловии к третьему изданию «Статистическая физика» Часть 1, что именно в разработке изложения общих принципов и многочисленных применений статистики в наибольшей мере появилась свойственная Ландау поразительная широта охвата всего предмета, его поразительная способность угадать самый прямой и самый эффективный путь к получению всех результатов…
Идеальный курс общей физики, скорее всего, должен начинаться с рассмотрения шкалы расстояний, на которых современная физика успешно исследует явления природы, от планковской длины и размера кварка до размера видимой части Вселенной, и с краткого обзора фундаментальных физических принципов, лежащих в основе описания явлений природы при этих масштабах. Курс должен традиционно состоять из механики, электричества, термодинамики и молекулярной физики, оптики и атомной физики, что по содержанию совпадает со структурой теоретической физики, в которой Гейзенберг выделял четыре концептуальных системы: классическая механика, статистическая механика (и термодинамика), специальная теория относительности и квантовая механика [3]. Характерной чертой курса следует сделать широкое использование в качестве примеров и задач материалов из космологии, астрофизики, астрономии, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц. Акцент современного курса общей физики необходимо делать на основных положениях физики и в том виде, в каком они используются профессионалами на переднем крае науки, что дает право, с другой стороны, называть построенный таким образом курс «Общефизические методы исследований». В самом конце прошлого века в Высшей школе физиков им. Н.Г. Басова МИФИ-ФИАН начал читаться курс с этим названием «Общефизические методы исследований» (ОФМИ) [1,2], который, с одной стороны, отвечал провозглашенным принципам, а с другой стороны, решал важную задачу по выработке единого уровня знаний у студентов спецфака, пришедших на факультет из разных вузов и уже прослушавших там курсы общей физики.
Уникальное положение курса ОФМИ в виде «виртуального уровня» между курсами общей и теоретической физики предоставляет возможность проиллюстрировать, как на практике реализуется положение курса общей физики в микро-, макро- и астрофизике и, таким образом, расширить общефизическое мировоззрение, необходимое для дальнейшего успешного изучения физики. Несмотря на 24-х часовой объем курса, состоящего из 12-ти занятий, на которых, обычно, после лекционного часа проводился семинар для обеспечения обратной связи со студентами, цель курса была достигнута. При этом главным моментом при выработке единого уровня знаний являются требования, как глубокого понимания математической природы физических величин, так и владение элементами векторного и тензорного анализа. А что касается иллюстраций использования ОФМИ в современной физике, то здесь требуется, чтобы с помощью этих примеров студенты сумели сделать первые шаги на пути создания математических моделей физических явлений и понимания того, чем при этом можно пренебречь.
Список литературы
1. Взоров Н. Н., Шестаков В. В. Общефизические методы исследований. М.,2004
2. Взоров Н., Шестаков В. Общефизические методы исследований. Saarbrucken /Германия, 2014
3. Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1990
4. Гинзбург В. Л. О физике и астрофизике. М.,1995
5. Капица П. Л. Эксперимент. Теория. Практика. М., 1981
