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.

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.