Физика? Нет ничего проще! Возвращение физики

скачать книгу бесплатно

Физика? Нет ничего проще! Возвращение физики
Александр Александрович Фролов

Вы считаете, что физика – это сложно? Определитесь с терминами! На самом деле физика предельно проста. Да, сейчас по-настоящему ее понимают очень и очень немногие, но это проблема не сложности физики, а массовой безграмотности ее преподавателей. Так идет эволюция. Меня, к счастью, учили профессионалы, и этой книгой я отдаю дань им – людям, приведшим меня в Большой Дом Физики. Понять ее текст сможет любой заинтересованный человек – от девятиклассника до доктора наук.

Физика? Нет ничего проще!

Возвращение физики

Александр Александрович Фролов

© Александр Александрович Фролов, 2017

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.

1.3. Назад к физике

Вот и окончен университет. Набравшись интегралов, наигравшись с тензорами и группами, навыращивав кристаллов, налюбовавшись физическими явлениями и став желанным специалистом для ряда организаций, я вдруг с ужасом осознал, что, многому научившись, сущности физики как таковой я и не понял. Сказалось насаждаемое отношение к физике как творческому порыву и красивой якобы интеллектуальной жизни в белом халате с бессонными ночами экспериментов и мучительными попытками их интерпретации. И вот начало доходить, что занятие физикой – это системный и систематический труд, требующий четкой организации мышления. Организации, основы которой и по сей день остаются практически непонятными для большинства людей.

Где искать эти основы? Очевидно, там, где происходит или, по крайней мере, должно происходить становление этого самого организованного мышления. То есть в процессе общего образования, в школе. И отправился я сотрудничать со школами. И занимаюсь этим вот уже полсотни лет, не выходя из состояния ужаса от того, что люди считают обучением физике. В школьных учебниках физики в среднем на одну страницу приходится одна грубая физическая, математическая или психологическая ошибка, в принципе ломающая научное продуктивное мышление и даже представление о нем. Соответствующие примеры будут рассмотрены в главе 7, посвященной физике в образовании и преподаванию физики. Здесь же отметим, что из современных учебников практически изъяты представления о физических величинах, являющихся неотъемлемой частью понятийной основы языка физики. Да и вообще понятийный уровень учебников физики не выдерживает никакой критики. На протяжении примерно тридцати лет ни один школьный учитель физики не сказал мне (и уж тем более – учащимся), что такое закон. Решение задач сумбурно, и существующие в школе подходы к этому решению явно противоречат стандарту образования. Ведь стандарт требует единого универсального подхода к этому процессу. А в школе твердят о множественности «алгоритмов» решения задач различных типов.

Параллельно этому шло «дообучение» физике на смысловом уровне в процессе профессиональной научной работы. Кафедра физики Уральского политехнического института, на которой я работал после окончания университета и года работы в лаборатории линейного ускорителя в Казахском госуниверситете, в научном плане занималась изучением физических свойств интерметаллических соединений. Именно для получения монокристаллических образцов этих соединений меня туда и пригласили. Но выполнение кандидатской диссертационной работы формально предполагает наличие научного руководителя, которого в области роста кристаллов на кафедре не было. Тематику-то ростовую я развивал сам с помощью своих университетских руководителей. Обнаруживал интересные ростовые явления, писал статьи, участвовал в ростовых конференциях. А вот в кандидатской диссертационной работе слово «монокристалл» отсутствовало напрочь. Работа была посвящена физическим свойствам – электрическим, магнитным, теплофизическим и прочим – поликристаллов тех соединений, физика роста кристаллов которых меня заинтересовала. И это было прекрасно, потому что впоследствии позволило обнаружить и понять причинно-следственные связи структуры, свойств и механизмов роста кристаллов. Тут же пришлось понять сущность таких физических моделей, как, например, фонон, и наконец-то уловить смысл и роль в создании представлений о фононе фурье-преобразований, которые так гнобили нас в университете.

Дальше все было «как у людей» – защита одной диссертации, потом – другой, создание научной школы…

1.4. Вперед к образованию

Но образовательная линия не отпускала. Ощущалась острая необходимость, во-первых, отдать, точнее – передать дальше то, что с таким трудом вложили в меня умнейшие люди. Во-вторых, уже начала осознаваться мною роль физики в общем образовании, и было очень жаль детей, мимо которых она пролетала, так и не успевая вложить в их головы модельные основы продуктивного мышления, то есть основы думанья. А ведь физика в программе общего образования присутствует именно для этого [4]. И исключительно для этого. Но об этом – потом, в главе 7.

В 80-х годах прошлого века было разработано пособие «Язык, закон, задача в курсе физики средней школы» [6]. Главная его особенность связана с требованием отсутствия физических ошибок в процессе преподавания предмета. Однако большинство преподавателей физики к этому времени уже были далеки от ее смысла и содержания. Отказ от предлагаемого в пособии подхода мотивировался… его «формализмом». Но ведь что может быть более формализованным, чем подход к формированию научных моделей, делающий их едиными для всех, то есть являющийся основой реальной составляющей понимания и, следовательно, взаимопонимания?! Надо отметить, что для тех, кто этим пособием все же пользовался, оно становилось, как правило, одной из настольных книг.

Намеченная в пособии «образовательная траектория» заставила провести обширный ряд исследований в области формирования преподавателями и обучающимися (в том числе – обучающимися самостоятельно) понятийности, причинно-следственности и единого подхода к решению задач [3, 5, 7, 8]. Стало понятным, как «устроен» интеллект в его научно-познавательной модели, и удалось предложить математическое представление этой модели с принципиально измеримыми ее компонентами [7]. В результате была создана общая технология интеллектуального образования [5], позволяющая успешно решать образовательные и научные задачи. Технология успешно апробирована как в общем [5], так и в профессиональном [1] образовании. И все это благодаря физике. Физике в представлении тех, кто ее создавал как отрасль науки, тех, кто построил четкую структуру физического мышления как исторически сложившуюся основу осознанно организованного продуктивного мышления вообще.

Я должен был ответить на вопрос: «Кто ты такой (чтобы судить о физике и ее трансляции)?». Он очевидно включает в себя: «С какой стати ты взялся за это (то есть за реабилитацию здравого физического смысла)?». Надеюсь, я ответил. На вопрос: «Откуда ты это взял?» будет дан ответ в главах с третьей по шестую. Тогда останется выяснить: «Почему ты считаешь, что нам это нужно?». Этому посвящена седьмая глава книги.

Литература к главе 1

1. Фролов, А. А. Культура умственного труда [Текст]: учебное пособие / А. А. Фролов, И. А. Черняев. – Екатеринбург: УГМУ, 2014. – 140 с.

2. Фролов, А. А. Одноструктурная модель расплава для конгруэнтно плавящихся веществ / А. А. Фролов // Кристаллография. – 1980. – Т. 25, вып. 1. – С. 43—47.

3. Фролов, А. А. Понятийность как основа единства интеграции и дифференциации научного знания [Текст] / А. А. Фролов, Ю. Н. Фролова // Сибирский педагогический журнал. – 2010. – №3. – С. 126—140.

4. Фролов, А. А. Сущность общего образования / А. А. Фролов // Образование и наука. – 2015. – №1 (3). – С. 18—28.

5. Фролов, А. А. Технология интеллектуального образования [Текст] монография / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Издательство «Раритет», 2015. – 180 с.

6. Фролов, А. А. Язык, закон, задача в курсе физики средней школы [Текст] / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Банк культурной информации, 2001. – 96 с.

7. Фролов, А. А. Модель формирования научно-познавательной компетентности обучающихся [Текст] / А. А. Фролов, Ю. Н. Фролова // Сибирский педагогический журнал. – 2011. – №9. – С. 51—64.

8. Фролова, Ю. Н. Роль социальной фасилитации в процессе алгоритмизированного проблемного обучения [Текст] / Ю. Н. Фролова // Сибирский педагогический журнал. – 2010. – №5. – С. 41—54.

Глава 2. Физика: наука и научная работа

Чтобы понять, что же такое физика на самом деле, какое место она реально занимает в нашей жизни и где ее в этой жизни искать, надо уточнить «географию» поиска. Чаще всего рядом со словом «физика» всплывает слово «наука». От этого слова так и тянет чем-то далеким и заоблачным. Большинство граждан представляет себе связанных с наукой людей как все тех же рассеянных очкариков в белых халатах, практически исключительно – мужчин, от которых постоянно уходят жены, поскольку эти очкарики не от мира сего и ни на что, кроме этой своей науки, не пригодны. Они все время открывают что-то такое, которого никто и не закрывал. И денег за это получают мало. Или совсем не получают. Не спят ночами, мучительно исписывают кипы бумаги какими-то закорючками или сутками сидят, уставившись в монитор компьютера, испещренный теми же закорючками. Порой некоторые из них все же за что-то получают огромные премии, и тогда уже навечно уходят в своих белых халатах в бесконечные коридоры академических институтов и – страшно сказать – коллайдеров. Наук, которыми занимаются эти люди, великое множество – одни изучают мошек, другие – атомы, третьи – мозги. Все это – за счет налогоплательщиков, которым совершенно не нужны мошки, атомы и, особенно, мозги. И вот среди всей этой братии самые непонятные – физики. Что же они делают в своих лабораториях? Занимаются наукой? Которой? Как именно? Зачем? Одни вопросы. Уж очень раздражают физики нормальную общественность самим своим существованием и уж, подавно, еще и навязываемой по их милости необходимостью изучения этой нормальной общественностью того, что они натворили.

Для того чтобы разобраться в физике и с физиками, воспользуемся простой метафорой. Как только мы сталкиваемся с каким угодно заинтересовавшим нас явлением, из нашего сознания к этому явлению протягиваются незримые ручки, которые его тщательно «ощупывают» с помощью настоящих рук, если надо – оснащенных приборами и инструментами. Незримые ручки, протянувшиеся из нашего мозга, работают, не покладая себя, до тех пор, пока каждая из них не придет к результату, за который она отвечает. Так, одна ручка определяет возраст найденного, другая – твердость, третья – форму и так далее. Составляется описание граней исследуемого явления. Естественно, для составления представления о явлении в целом, добычу всех поработавших ручек необходимо сложить в одну (!) коробку. И не просто сложить, а расположить по ячейкам, связанным между собой надежно установленными связями. Вот теперь коробка опечатывается, чтобы в нее не проникли бездумные шаловливые настоящие ручонки желающих поиграть или поживиться, и отправляется на склад. Этот склад называется «наука», и затребовать с его полки нужную коробку всегда можно. Правда, при условии, что знаем, где эта полка находится, то есть знаем и помним, куда мы эту коробку положили.

Таким образом, даже на уровне метафоры понятно, что мы имеем дело с двумя совершенно разными феноменами, хотя и тесно связанными друг с другом. А именно – с наукой и научной работой.

2.1. Что такое наука

Прежде всего необходимо выяснить, что такое наука, которой почтительно боится нормальный обыватель. Ведь, по слухам, с ней не поспоришь, а этого мы не любим. Для понимания сущности науки надо кое-что разложить в голове по полочкам. Начнем с элемента (от латинского elementum – первоначальное вещество). Во всех развитых языках под элементом традиционно понимается «составная часть сложного целого». Различные элементы, сваленные в кучу («купу», как и сейчас говорят в Украине и Белоруссии), образуют то, что в славянских языках называется «совокупностью». Но если эти элементы взаимодействуют между собой, причем такая совокупность в целом приобретает свойства, не присущие ни одному из элементов, мы имеем дело с системой. То есть: системой называется совокупность взаимодействующих элементов, каждый из которых не обладает свойствами системы в целом, но является ее неотъемлемой частью.

То, что так старательно добывали незримые ручки, скорее всего – «сведения»: это еще надо сводить воедино и упаковывать в одну коробку. А упаковываем мы организованно и направленно, тщательно устанавливая связи между элементами, фиксируя эти связи определенным расположением добытого в ячейках. То есть приводя добытые элементы – сведения о явлении – в систему, систематизируя их. Вот в итоге и поступает на склад изящная компактная коробка с ячейками формы, удобной для укладывания и доставания элементов. Эта коробка – знание о явлении, соответствующее сегодняшнему уровню исследовательских возможностей, то есть ловкости и оснащенности незримых и зримых ручек. Познавательная деятельность – это совокупность процессов, процедур и методов, которыми пользуется для добывания сведений и формирования знания человек с его управляющим центром – мозгом – и периферийными устройствами и возможностями. Знание, находящееся в научном хранилище, является жестким, надежным и уже отделено от того, кто его получил. Таким образом, знаниемназывается форма существования систематизированных результатов познавательной деятельности человека. Если принять во внимание, что информация – это процесс или результат преобразования явлений реального мира в явления виртуального мира нашего сознания, то становится очевидным информационно-модельный характер системы и определенных на ней операций.

В основе познавательной деятельности человека лежит потребность познавать мир, обусловленная необходимостью адекватных реакций на возникающие в нем ситуации. То есть необходимостью выживания. Форма проявления познавательной потребности – обращение внимания человека на возможно важные для его существования явления – называется интересом. В процессе эволюции человек очень далеко ушел от своего первобытного предка, став существом социальным, видящим мир широко – и в пространстве, и во времени. Человеку надо есть, чтобы жить сейчас, и он обращает внимание на генетические особенности продуктов питания. Человеку надо размножаться, и он обращает внимание на психологические особенности представителей противоположного пола. Человеку все равно придется через какие-нибудь три-четыре миллиарда лет покинуть насиженное в космосе около своей звезды место, чтобы выжить, и он уже сейчас обращает внимание на природу других звезд и пути к ним. Много у человека интересов. Если он – человек, разумеется. Каждое проявление каждого из интересов человека приводит к выделению им из окружающего мира или своего внутреннего мира (а в конечном счете – из потока своего сознания) определенного явления. Затем человек исследует это явление в процессе познавательной деятельности. Далее, используя свою социальность, то есть связи с другими людьми, заинтересованными в этом явлении и исследующими его, человек формирует знание о нем. Строго говоря, когда речь заходит о знании, оно формируется уже не человеком, а людьми. То есть отчуждается от конкретных человеков и начинает жить своей собственной, нелюдской, жизнью.

Знаний получается в итоге много, и касаются они практически всего, с чем сталкивается человек. Всего – это мира, окружающего человека, и внутреннего мира, который человек формирует в себе и несет по жизни. Каждое из этих знаний во времени развивается, углубляясь и уточняясь. В коробках на складе появляются новые ячейки, новые связи. Для того чтобы быть полезными человеку, да и для того чтобы их было можно в нужный момент отыскать и восстановить, все надежно установленные, проверенные и систематизированные знания, хранящиеся на складе, должны быть объединены в систему. В совершенно нелюдскую систему, не зависящую от чьих-либо сиюминутных настроений и состояний. Вот такой получается роботизированный склад, чуждый эмоций и чувств, в котором можно найти и построить все, что может понадобиться Человеку.

Итак, мы пришли к тому, что наукой называется система постоянно развивающихся знаний о реальном окружающем мире и внутреннем мире человека. В одном фантастическом фильме от человекоподобного робота остался только титановый скелет, неотвратимо преследующий свою цель. Это ассоциативно вполне увязывается с представлением о науке. Ее нельзя остановить. Ей невозможно противостоять. Ей все равно, кто каждый из нас и что мы о ней думаем. Ее надо понимать и уважительно ею пользоваться. Она может впадать в спячку за ненужностью в данный момент, она может уйти в другое место, если в ее доме поселились шарлатаны или расположилось учреждение для людей с задержкой умственного развития. Но убить ее нельзя. Даже вместе с человечеством. Был бы добротный Склад. Прилетят инопланетяне и реанимируют, присоединив к своей науке. Вот такая оптимистичная картина складывается в историческом развитии науки.

Говорят, что у науки много функций. Отсюда, как правило, вытекает много заблуждений и ошибок. Базовая, главная, исходная функция у науки только одна – описательная. Наука стремится в конечном счете надежно и ясно описывать мир. В конечном счете – потому что в познавательном процессе это стремление пробивается через трудности инструментального характера и индивидуально-личностные особенности модельных толкований наблюдаемых явлений. Объяснять ясное – бессмыслица, поэтому наука ничего не объясняет. Объяснять может человек, пользуясь достижениями науки и ее языком. Описание не есть материальное производство. Поэтому наука не может быть непосредственной производительной силой, как это взбрело в безграмотные головы советских руководителей в прошлом веке, что существенно затормозило развитие науки. Для этого есть другие, не менее важные и уважаемые виды человеческой деятельности, пользующиеся результатами науки, но ею не являющиеся. К ним относятся, например, педагогика, инженерия и медицина. Наука не может быть что-то кому-то должна – она не банк и не заемщик. Ознакомление с чем-либо – это всегда задавание вопросов и получение ответов на них. Мы можем пользоваться созданными наукой описаниями мира, задавая ей вопросы и получая ответы на уровне и в рамках этих описаний. Ну и, разумеется, можем сами пополнять науку, участвуя в создании таких описаний.

Науку нельзя «популяризировать» – ни методы, ни результаты. Их можно только транслировать, то есть передавать инструментальными средствами науки, используя уровни научного описания, доступные адресатам. Ведь сущность научного подхода заключается в создании модели, адекватной рассматриваемой ситуации, в том числе – модели математической. Образное представление модели явления в принципе одинаково для любого уровня ее рассмотрения. И, соответственно, для любого субъекта рассмотрения. А знаковое описание модели носит выраженно уровневый характер: для разных уровней описания одного и того же явления (например, для грубой оценки и точного расчета) в рамках одной и той же модели могут привлекаться вообще разные знаковые системы (например, разные разделы математики). При этом степень научности разноуровневых описаний одной и той же модели явления в принципе одинакова. Впоследствии мы еще не раз вернемся к этому тезису.

Из всего сказанного следует, что наука принципиально адекватна. Прежде всего, эта адекватность определяется необходимостью осознанного формирования научной модели, которая просто не может быть неадекватной для определенного уровня рассмотрения явления. По определению, ввиду требования ее простоты. Именно уровень рассмотрения, заданный, в конечном счете, сиюминутным интересом, определяет границу адекватности модели и, следовательно, границу ее применимости. Указывая, называя и описывая существенные для интересующей нас задачи стороны явления, то есть формируя его модель, мы в любой отрасли науки, прежде всего, обязаны пользоваться в принципе точным понятийным аппаратом, обеспечивающим адекватность отражения рассматриваемой грани явления. На этом фоне описание моделей причинно-следственных связей между моделями явлений является также принципиально адекватным. Это касается как образного, так и знакового описаний, которые, несомненно, тесно связаны между собой. В конечном итоге, единственным универсальным средством описания любого явления служит математика – в любом из своих обличий, в том числе – представленная любой знаковой системой в виде языка. Таким образом, все отрасли науки точны в смысле требования адекватности модельных представлений явлений. Просто для описания более сложных явлений, например, психологических, требуются и более сложные разделы математики, возможно, пока еще и не разработанные. Во всяком случае, научный работник, изучающий эти психологические явления, если он является таковым, должен владеть математическим аппаратом лучше, чем физик-теоретик, имеющий дело с наиболее простыми и, чаще всего, наглядными моделями. Так что рассуждения и даже упоминания о точных и неточных отраслях науки (тем более – о «науках») являются проявлением дилетантизма и непонимания сущности феномена науки.

2.2. Что такое научная работа

Не всякая познавательная деятельность научна. Ее научность определяется тем, выдерживает ли осмысление результатов исследований проверку принципами теории познания (см., например, [2]). Проверяются результаты – познавательной деятельности в целом и отдельных ее этапов. Последовательность этих этапов обусловлена особенностями научного продуктивного мышления [6, 8], сложившимися в процессе филетической эволюции человека [5]. Такая последовательность определяет структуру научного познания как процесса, и потому ее соблюдение в ходе исследования также нуждается в систематической проверке. На этом проверки на научность (то есть на соответствие науке) заканчиваются. Остается индивидуально-личностная и коллективная познавательная деятельность в рамках заданных требованием научности структур