Современная (постнеклассическая) физика

ИСТОРИЯ современности — актуальное направление в истории физики

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • характерные особенности современной (постнеклассической) физики;
• • научно-технический, социокультурный и философско-методологический аспекты современной физики;
• • характерные размеры физических объектов микро-, макрои мегафизики;

уметь

• • обсуждать роль современной физики в процессе познания, актуальность изучения истории современной физики для студента, преподавателя вуза и историка науки;
• • анализировать критерии, позволяющие выбрать магистральные направления современной физики;

владеть

• навыками оперирования основными понятиями истории современной физики.

Ключевые термины: постнеклассическая физика, характерные особенности современной физики, научно-технический, социокультурный и философско-методологический аспекты современной физики, историко-научная реконструкция современной физики, микрофизика, макрофизика, мегафизика.

Темпы развития физики в наши дни поражают воображение. Ушедший XX в. можно смело называть веком величайших открытий в физике. Именно в это время зародились квантовая теория и теория относительности, которые буквально перевернули наши представления о мире. Были открыты нейтрон, позитрон и кварк. Мы теперь знаем о таких удивительных явлениях, как сверхпроводимость и сверхтекучесть. Появились новые направления: физика высоких энергий, высоких давлений, высоких и низких температур и ряд других. Необычайными темпами развивается астрофизика. Это связано как с появлением новых мощных теоретических представлений и методов, так и с быстрым развитием экспериментальных методик, основанных на использовании принципиально новых научных приборов, методов и технологий, как принято теперь говорить, — высоких технологий.

Современная, или постнеклассическая, физика середины XX — начала XXI в. включает те открытия и законы, которые относятся к новейшему этапу ее развития, те центральные проблемы, над которыми работает в настоящее время передовая «физическая» мысль.

Прежде всего, попробуем охарактеризовать особенности постнеклассической физики. Основная ее черта — усилившаяся междисциплинарность научных исследований, которая является следствием единства физического мира и предполагает существование взаимосвязи, преемственности, взаимопревращаемости различных объектов, изучаемых в естественных науках. Это в полной мере касается и физических свойств микро-, макрои мегамира, что свидетельствует о существовании единых для всей физики закономерностей, проявляющихся по-разному в зависимости от временных и пространственных масштабов.

С междисциплинарностью тесно связана идея глобального эволюционизма — ответ на стремление современной науки (в том числе физики) к комплексному изучению эволюции природы в процессе ее саморазвития. Ярким проявлением междисциплинарного подхода является родившаяся в лоне естественных наук (в первую очередь физики) синергетика. Она изучает наиболее общие законы эволюции и, главное, самоорганизацию сложных природных систем. Синергетика впервые показала, что процессы самоорганизации могут происходить тогда, когда для этого имеются соответствующие условия (открытость системы, ее неравновесность, достаточная удаленность от точки равновесия и др.). Ключевые достижения синергетики и возникшей на ее основе новой концепции самоорганизации материи состоят в том, что они помогают взглянуть на природу как на мир, находящийся в процессе непрестанной эволюции и развития. История физики как гуманитарная наука не может не интересоваться теми изменениями человеческого мышления, которые сопровождают изменения, происходящие в самой науке.

Широкое применение методов вычислительной математики в научных исследованиях кардинально изменило получение и обработку их результатов. Развитие современной физики происходит в условиях, когда человечество вступает в информационное (постиндустриальное) общество. Это означает, в частности, что компьютерные технологии становятся неотъемлемой частью любых физических исследований. Приведем пример. Во второй половине XX в. началось бурное развитие интерференционной спектроскопии с использованием метода Фурье. Его широкое распространение обусловлено развитием вычислительной техники, поскольку компьютер является необходимым элементом современного Фурье-спектрометра. В настоящее время методы фурье-спектроскопии получили широкое распространение в различных областях науки и техники.

Экспериментальная база современной физики существенно усложнилась. Выдающиеся успехи физики получены с помощью сложных инженерных устройств, действие которых основано на недавно открытых физических явлениях. Рассмотрим несколько примеров. Применение методов лазерного охлаждения атомов позволило глубже понять взаимодействие лазерного излучения с веществом и квантовомеханическое поведение газов при сверхнизких температурах. Развитие техники фазированной антенной решетки (ФАР) стало серьезным стимулом решения проблем СВЧ-микроэлектроники как основы микроминиатюризации СВЧ-компонентов и обеспечения их массового производства. В состав ФАР может входить до 10 000 элементов, каждый из которых представляет собой законченное, достаточно сложное устройство. Только освоение производственных приемов микроэлектроники смогло технически и экономически обеспечить приемлемую стоимость больших ФАР.

Индустриализация современных физических исследований приобретает в настоящее время космическое ускорение.

Фактически сейчас в микро-, макрои метафизике наиболее значимые результаты исследований удается получить только с помощью сложнейших индустриальных установок (ускорителей, радиотелескопов, низкотемпературных устройств, космических станций и т. п.). В качестве примеров можно привести ряд уникальных индустриальных установок: спутник «СОВЕ», радиотелескоп в Аресибо, система апертурного синтеза VLA, ЭПРи ЯМР-спектрометры и др.

Международная научная кооперация проявляется в том, что в настоящее время практически все крупные научные проекты строятся при финансовой поддержке нескольких государств. В качестве примеров можно назвать создаваемый термоядерный реактор ITER (Франция), существующий Большой адронный коллайдер ШС (Швейцария), ряд космических проектов, в том числе космическую станцию МКС, космический спутник «ПЛАНК», крупнейший в мире проект космического радиотелескопа — «Радиоастрон» и т. д.

Современному периоду развития науки соответствует еще одна особенность, которая заключается в признании историчности, а следовательно, принципиальной незавершенности любой научной картины мира.

Осознание единства и взаимосвязи всех элементов глобального мирового процесса, характерное для современной науки, ведет к коренной перестройке стиля научного мышления, отказу от господствовавшего в XX в. дуального видения мира и возвращению к синкретической системе мышления. Конечно, в исследовательской деятельности невозможно руководствоваться только установкой на поиск фундаментальных структур и элементов целого и отбрасывать альтернативную ей установку на поиск интегральных характеристик физического мира. Эти установки необходимы для адекватного описания природы. Но накопление к настоящему времени значительного числа эмпирических и теоретических результатов, обострение проблем и противоречий в современных научных теориях и концепциях вынуждают выдвигать на передний план развитие фундаментальных исследований, приближающих новую научную революцию. Это видно, в частности, по кардинальному изменению стиля научного мышления, пониманию самих научных проблем.

В свою очередь, современное общество все больше осознает необходимость формирования у каждого человека нового целостного миропонимания и научного мировоззрения, которые были бы адекватны последним достижениям фундаментальной науки. Расширение знаний о природе не только обеспечивает обновление технологий, но и развивает менталитет людей, в частности формирует такой стиль мышления, в котором наука играет определяющую роль. Дефицит такого мышления остро ощущается в современном обществе. Формирование нового стиля мышления невозможно без детального понимания современных проблем физики.

Рассмотрим теперь роль современной физики в процессе познания. Выделим три основных момента. Во-первых, физика является одним из важнейших источников знаний об окружающем мире. Во-вторых, расширяя и многократно умножая возможности человека, физика обеспечивает его уверенное продвижение по пути технического прогресса. В-третьих, физика как наука, изучающая наиболее общие законы природы, как лидер естествознания, как научная база значительного большинства существующих технологий представляет собой один из важнейших элементов культуры общества. Ее достижения образуют основу современного естественно-научного мировоззрения и формируют базовые научные представления человечества о мире, в котором оно живет.

Таким образом, в физике содержатся научно-технический, социокультурный и философско-методологический аспекты. Их содержание приведено в таблице 23.1. Особенно ярко все эти аспекты проявились в физике XX столетия, что и предопределило ту исключительно важную роль, какую она стала играть в современном мире.

Таблица 23.1. Характерные аспекты современной физики.

Современная физика развивается столь стремительно, что традиционная неспешность ее исторического осмысления становится существенным недостатком. Незнание предыстории экспериментальных и теоретических исследований сегодняшнего дня существенно затрудняет установление возможных путей эволюции физической мысли в XXI в. Неслучайно С. И. Вавилов отмечал, что «история науки — необходимая и, пожалуй, даже достаточная предпосылка планирования науки». В связи с этим актуальной становится задача изучения современной физики в историческом преломлении. На первый взгляд, это непродуктивно: многие исследования происходят на наших глазах и их результаты еще не скоро станут достоянием истории. Тем не менее историко-научная реконструкция современной физики оказывается важной в силу нескольких обстоятельств.

• 1. Современная физика — чрезвычайно теоретизированная область знаний со сложным математическим аппаратом. Фактически только историко-физический подход позволяет пролить свет на процессы возникновения и развития физических идей, понять суть физических открытий, выявить их перспективность для дальнейших теоретических и прикладных исследований, исследовать научные биографии ученых, не прибегая к сложным математическим выкладкам. При том что математические решения порой изумляют своей стройностью и красотой. Вспомним, к примеру, уравнения Максвелла или уравнения ОТО. Но именно историко-научная реконструкция, дополненная анализом процессов зарождения и становления современной физики сквозь призму социокультурных явлений позволяет воссоздать целостную картину развития этой области знания.
• 2. Без широкого научного и социокультурного кругозора ни один серьезный ученый состояться не сможет. По этой причине такие спецкурсы, как «Современная физика и астрофизика», «История радиофизики», «Нобелевские премии по физике» и др., должны входить в образовательные программы университетов и институтов. Специальные курсы по различным направлениям современной физики представляют собой курсы по истории науки, так как в их построении и содержании доминирует исторический подход, а изложение носит при этом более качественный характер. Важную роль такие курсы играют в педагогических вузах, так как с их помощью будущие учителя получают необходимую научно-методическую подготовку для преподавания школьного курса физики (или отдельных элективных курсов) с учетом ее современных достижений.
• 3. Исследование соотношения между реальной физикой и виртуальными проектами, в основе которых лежат физические законы; понимание того факта, что компьютеризация научных исследований должна приводить к ускорению получения наиболее важных результатов, но не должна переводить исследования из реальных в виртуальные. В настоящее время тенденция виртуализации научных исследований усиливается, и нам — физикам-профессионалам — просто необходимо вести с ней борьбу, доказывая, что только реальный эксперимент может подтвердить достоверность теоретических посылок. Эту борьбу может выиграть только сама современная физика. При этом ее история может оказать ей в этом весьма значимое содействие, так как она показывает реальную неразрывную связь между теорией, экспериментом и компьютерными технологиями в сочетании с влиянием на науку уровня общественного мировоззрения и происходящих общественных процессов.
• 4. В силу того что настоящие достижения в современной физике могут быть получены только при использовании высокотехнологичных, сложных и весьма дорогостоящих устройств, появляющиеся сообщения об открытиях, сделанных в других условиях, следует считать недостаточно обоснованными. Именно история современной физики позволяет нам реально взглянуть на такие открытия, так как она дает возможность оградить людей, недостаточно хорошо владеющих физическими знаниями, от ложных представлений, распространяющихся благодаря некоторым СМИ. Другими словами, изучение современной физики формирует у людей с разным запасом физических знаний современный научный стиль мышления, целостное миропонимание и научное мировоззрение, которые адекватны последним достижениям фундаментальной науки.
• 5. Изучение истории современной физики нивелирует стремительное увеличение пути, который должен пройти молодой ученый до переднего края науки. Сведения о методах научного познания, о триумфальных достижениях творцов науки, о трудностях научного поиска и радости открытия окажутся бесценными для будущих научных работников. Они получат необходимый запас историко-научных знаний, позволяющий им лучше ориентироваться в выбранной им области исследований, сформировать современный научный стиль мышления и выработать представления о современной физической картине мира. В то же время преподаватели, читающие спецкурсы по современной физике и ее истории, благодаря более углубленному ознакомлению с предметом постоянно расширяют свой научнокультурный кругозор за счет привлечения нового материала. Они также обогащают свой педагогический и методический арсенал, так как получаемые сведения из современной физики требуют адекватных им современных форм, методов и средств обучения.
• 6. Приведем фрагмент из книги М. Блока «Апология истории», содержащий в общих чертах программу историко-научного исследования. «…Историю прошлого невозможно отрывать от современности, ибо современность только и может дать верный взгляд на прошлое — не в том, разумеется, смысле, что историк подтягивает минувшие эпохи к своему времени и модернизирует их, а в том, что именно современность ставит перед историком проблемы, подлежащие изучению и открывает его взору историческую перспективу во всей глубине. …Но история не ремесло часовщика или краснодеревщика.

Она — стремление к лучшему пониманию, следовательно — нечто, пребывающее в движении. Ограничиться описанием нынешнего состояния науки — это в какой-то мере подвести ее. Важнее рассказать о том, какой она надеется стать в дальнейшем своем развитии».

С одной стороны, историк науки должен исследовать истоки формирования основополагающих идей в области современной физики, а с другой — выявлять их перспективность для развития науки и техники в XXI в.

Таким образом, современная физика становится актуальным полигоном для историко-научных изысканий, подразумевающих анализ развития важнейших идей и фундаментальных теорий в этой области знания.

Но как подойти к исследованию истории такого многофакторного, динамично развивающегося предмета, как современная физика? Все мы привыкли к тому, что она совершенно необъятна, и чтобы хоть как-то упорядочить ее изложение, необходимо выбрать оптимальное число направлений и обсудить их более или менее подробно. Для этого следует, прежде всего, выработать критерии, по которым может быть сделан обоснованный выбор.

Крупнейший современный отечественный физик, лауреат Нобелевской премии 2003 г. Виталий Лазаревич Гинзбург (1916— 2009) (рис. 23.1) выделяет около двух десятков «наиболее интересных и важных проблем физики». Он подчеркивает, что это именно те проблемы, которые сегодня находятся в «фокусе внимания и в какой-то мере находятся на главных направлениях».

Рис. 23.1. Портрет Виталия Лазаревича Гинзбурга

Мы попытаемся сделать то же самое и выделим ряд физических направлений, включив в их число и некоторые достижения научного приборостроения. Это позволит обсудить не только фундаментальные вопросы, но и многогранные связи физики с техникой. Сформулируем сначала критерии, позволяющие выбрать магистральные направления современной физики и расположить эти критерии в порядке их значимости.

1. Важность данной проблемы для судеб человечества.

Наиболее характерным примером могут служить исследования, направленные на разработку и использование управляемого термоядерного синтеза (УТС) для получения энергии. Энергетика — ключевая проблема в развитии человеческой цивилизации, и поиск способов ее решения составляет значительную часть исследований, которыми занимаются современная физика и техника. Отметим, что эти исследования связаны также с решением задач экологии, которые не менее важны и актуальны для судеб человечества.

2. Развитие конкретных направлений физики для совершенствования фундамента самой науки.

Примерами могут служить направления физики, ответственные за получение знаний о строении вещества. Изучение молекул, атомов, ядер и элементарных частиц далеко не всегда давало непосредственные сиюминутные выгоды. Тем не менее они продвигали науку вперед и уже поэтому заслуживают пристального знакомства со стороны как профессионалов, так и любителей физики.

Так, сегодня на переднем плане исследований находится физика высоких энергий (раньше она называлась физикой элементарных частиц). Именно здесь мы ожидаем «прорыва» в понимании фундаментальных свойств вещества.

3. Постоянно актуальный вопрос о месте человека во Вселенной.

На него стремятся ответить философия и другие гуманитарные науки (а также богословие), но физика находится в привилегированном положении. Она, в отличие от других наук, оперирует не умозрительными категориями, а фактами, полученными в результате теоретического осмысления результатов исследований и наблюдений. Здесь, конечно, особое внимание уделяется астрофизике, которую нередко называют физикой мегамира.

4. Двусторонняя неразрывная связь физики с техникой.

Все перечисленные выше проблемы не могут быть поняты, если не проводится обсуждение устройств и методов, с помощью которых осуществляются исследования. Принято считать, что техника — это, по сути, прикладная физика. Но техника не только использует физические открытия для своего развития. Невиданным взлетом во второй половине XX в. физика в огромной степени обязана именно технике. Замечательные научные приборы и устройства, применение которых привело к появлению большинства открытий, связаны с интенсивным развитием техники и высоких технологий. В этом отношении интересную мысль высказал академик Лев Андреевич Арцимович (1909—1973): «Современная физика это своего рода двуликий Янус. С одной стороны, это наука с горящим взором, которая стремится проникнуть вглубь великих законов материального мира. С другой стороны, это фундамент новой техники, мастерская смелых технических идей, опора обороны и движущая сила непрерывного индустриального прогресса».

5. Необходимость того, чтобы с конкретными направлениями современной физики был знаком каждый образованный человек.

Понимание физической картины мира должно войти в состав обязательного интеллектуального багажа каждого образованного человека (независимо от его профессии и жизненных приоритетов) наряду с великими произведениями искусства, литературы, музыки и архитектуры.

«Наиболее важные и интересные» проблемы современной физики принято условно делить на три раздела (области исследования) в зависимости от масштаба объекта изучения: макрофизика, микрофизика и мегафизика (табл. 23.2).

Таблица 23.2. Характерные размеры физических объектов микро-,.

макрои метафизики.

При изучении объектов каждого из разделов физика оперирует специфическими законами, математическим аппаратом, методами исследования и инструментарием. Именно масштаб объектов в первую очередь определяет характер физических законов, действующих в данной области физики. Наиболее характерным примером может служить переход от макрофизики к микрофизике, от мира, где главенствует детерминированность, к миру вероятностному.

При переходе от макрофизики к мегафизике подобные изменения не столь очевидны, в силу, может быть, того, что свойства мегамира пока известны меньше, чем свойства макрои микромира. Но уже открыт ряд специфических астрофизических объектов мегамира (пульсары, квазары, черные дыры, темная материя, темная энергия и т. д.), физические свойства которых описывают специфические законы, справедливые только для мегамира.

Границы между разделами прозрачны, мы вводим их, преследуя методические цели, — чтобы было удобнее описывать явления, относящиеся к тому или иному разделу современной физики. В дальнейшем, рассматривая конкретные физические явления, мы отметим многочисленные связи и аналогии между разными частями современной физики.

Приведенное здесь деление физики на три части ни в коей мере не нарушает ее единства. Плавные переходы от одного раздела к другому, корреляция результатов в предельных случаях и, главное, наличие фундаментальных законов (например, «законов симметрии» и «законов сохранения»), справедливых для всех частей физики, свидетельствуют об общности всех ее частей.

Контрольные вопросы

• 1. Как проявляется: а) междисциплинарность научных исследований; б) индустриализация физических исследований; в) международная научная кооперация в современной физике? Приведите примеры.
• 2. Как используются компьютерные технологии в современных физических исследованиях? Приведите примеры.
• 3. Чем важна роль современной физики в процессе познания?
• 4. Какие аспекты содержатся в современной физике?
• 5. Чем обусловлена актуальность изучения истории современной физики: а) для студента; б) преподавателя вуза; в) историка науки?
• 6. Что относится: а) к научно-техническому; б) социокультурному; в) философско-методологическому аспектам современной физики? Приведите примеры.
• 7. Почему только реальный эксперимент может подтвердить достоверность теоретических построений?
• 8. Как история современной физики позволяет оградить людей, недостаточно хорошо владеющих физическими знаниями, от ложных представлений?
• 9. Какой ученый предложил выделить «наиболее интересные и важные проблемы физики»?
• 10. Какие критерии позволяют выбрать магистральные направления современной физики?
• 11. Должен ли каждый образованный человек быть знаком с конкретными направлениями современной физики? Ответ обоснуйте.
• 12. Какие физические объекты изучает: а) микрофизика; б) макрофизика; в) мегафизика?
• 13. Почему границы между микро-, макрои мегамиром весьма условны?

Задания для самостоятельной работы

• 1. Что такое история современности?
• 2. Ключевые достижения современной астрофизики.
• 3. Научно-технический аспект современной физики.
• 4. Социокультурный аспект современной физики.
• 5. Философско-методологический аспект современной физики.
• 6. Математизация и виртуализация современных физических исследований.
• 7. Основополагающие открытия в микрофизике.
• 8. Основополагающие открытия в макрофизике.
• 9. Основополагающие открытия в мегафизике.
• 10. Футурологический прогноз возможных открытий в современной физике.

Рекомендуемая литература

• 1. Гинзбург, В. Л. О физике и астрофизике: статьи и выступления. — М.: Наука, 1985.
• 2. Гинзбург, В. Л. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными (тридцать лет спустя, причем уже на пороге XXI века) // УФН. — 1999. — Т. 169. — № 4. С. — 419—441.
• 3. Михайлишина, Г. Ф. Изучение современной физики в вузе: содержание, методы и формы обучения. — М.: Academia, 2010.
• 4. Милантъев, В. П. История и методология физики. — М.: РУДН, 2007.
• 5. Кравченко, А. Ф. История науки и техники. — Новосибирск: Издательство СО РАН, 2005.
• 6. Степин, В. С. Научное познание и ценности техногенной цивилизации // Вопросы философии. — 1989. — № 10. — С. 3—18.
• 7. Степин, В. С. Философская антропология и философия науки. — М.: Высшая школа, 1992.
• 8. Хакен, Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к сложным системам. — М.: КомКнига, 2005.
• 9. Agar, J. Science in the Twentieth Century and Beyond. — Cambridge: Polity Press, 2012.
• 10. Вигнер, Ю. Пределы науки // Экология и жизнь. — 2004. — № 6 (41). —С. 5—11.
• 11. Михайлишина, Г. Ф. История современности — неотъемлемая часть истории физики / Г. Ф. Михайлишина, В. А. Ильин,

B. В. Кудрявцев // История науки и техники, 2010. — № 7. —.

C. 10—17.

12. Блок, М. Апология истории или ремесло историка. — М.: Наука, 1986.