МЭИ(ТУ) Физика

навыков научного мышления, а следовательно, и ответственности за глубину своего физического образования.}

Значительный интерес представляют высказывания по этому поводу академика Л. И. Мандельштама, бывшего, как известно, не только значительным физиком, но и крупным радиоинженером. «История техники знает немало примеров загадочных неуспехов, неуспехов повторных, имевших иногда весьма неприятные последствия. И очень часто оказывалось, что загадочность обусловливалась не присутствием действительно новых, до тех пор неизвестных факторов, а отсутствием у тех, кто данными вопросами занимался, широкого физического горизонта» [1]. Высказывание Мандельштама сохраняет свою справедливость и в наше время. Обслуживание идущего нормально современного автоматизированного производства не предъявляет, как правило, к квалификации инженера слишком высоких требований. Иное дело, так сказать «нестационарные режимы»: постановка нового производства, перестройка производства по новой схеме или. ликвидация брака по неизвестным причинам. В таких ситуациях, собственно, и необходим инженер, обладающий должной квалификацией и широтой научнотехнического горизонта. Понимание физики процессов, используемых при решении задач в данной области – непременное условие успешной деятельности инженера в этих случаях.

Крупнейший советский физик С. И. Вавилов обращал внимание преподавателей физики на «необходимость добиться того, чтобы в каждом общем и специальном курсе физики... нашла свое ясное выражение философская основа» [2]. Вместе с тем курс физики не может и не должен «подменять» курс философии. В частности, в курсе физики надо очень осторожно пользоваться специфической философской терминологией. Использование соответствующих терминов в данных методических указаниях отнюдь не означает, что все они должны быть доведены до сведения студентов. Необходимо другое – показать студентам важность и полезность широких обобщений, ведущих уже к философским выводам. Важно обращать внимание студентов на существенную роль мировоззренческих установок ученых в развитии науки (роль так называемых физических картин мира). В этом смысле благодатный материал представляет вопрос о роли опыта в физике. Здесь следует избегать опасности излишней схематизации, приводящей к недооценке значения мировоззрения и теоретических установок в постановке эксперимента и трактовке его результатов. Современная физика переживает особый период в своем развитии. Несмотря на огромные успехи в теории и в технических при-

менениях, физика во второй половине XX века столкнулась с рядом принципиальных трудностей. Это понятие физики микромира и мегамира, где исследования уже не могут продолжаться на том методологическом фундаменте, который был заложен Эйнштейном и Бором и лег в основу теории относительности и квантовой физики. Успех дальнейшего продвижения вперед часто зависит не столько от наличия новых фактов, сколько от существенно новых методов их осмысления и обобщения. При этом роль философских идей в современной физике становится все более значительной. С другой стороны, представления о материи и ее атрибутах не могут ни существовать, ни развиваться без опоры на выводы современного естествознания [3].

Как известно, эксперимент является одним из основных методов исследования в физике и состоит в наблюдении исследуемого явления в точно контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Для объяснения экспериментальных данных привлекаются гипотезы. Гипотеза есть предположение о внутренних связях, управляющих данным явлением. Гипотеза требует проверки или доказательства, для того чтобы стать научным законом или теорией. На этом этапе познания весьма важную роль играет мировоззрение, методологический фундамент ученого. То, какими опытными результатами заинтересовался ученый и какую гипотезу он выдвигает, определяется именно этими факторами. Правильность высказанной гипотезы проверяется посредством постановки соответствующих экспериментов, путем выяснения согласия следствий, вытекающих из гипотезы, с результатами опытов и наблюдений. В постановке новых экспериментов и интерпретации их результатов неизбежно опять отражается уровень и мировоззренческая направленность исследователя. Существует, конечно, и обратная связь: вновь созданная теория и даже эксперименты, осмысленные в рамках существующих теорий, обогащают как научный базис данного ученого, так и влияют на развитие научной мысли вообще, укрепляют и развивают наши представления об окружающем мире, то есть обогащают мировоззрение.

Гипотеза, успешно прошедшая экспериментальную проверку и вошедшая в систему знаний, превращается в научный закон или теорию. Физическая теория представляет собой совокупность основных идей, обобщающих опытные данные и отражающих объективные закономерности природы. Физическая теория дает объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения, Особую ценность представляет способность теории предсказывать новые явления. Студенты должны понять, что правиль-

ность теории в конечном счете определяется согласованностью ее выводов с результатами опыта, практикой, которая, таким образом, является не только источником знаний, но и критерием их истинности. В то же время результаты еще не истолкованного эксперимента стимулируют создание новых теорий.

Принцип единства теории и практики (теории и эксперимента) можно проиллюстрировать на примере буквально всех разделов физики. Правильное понимание этого принципа важно еще и потому, что студенты легко поддаются гипнозу математических формул и склонны относиться к экспериментальным данным, как к знаниям второго сорта.

Следует обратить внимание студентов на то, что получение отрицательного результата в эксперименте, поставленном для проверки справедливости выдвинутой гипотезы, – полезный шаг в процессе познания изучаемых явлений. Например, отрицательный результат знаменитого опыта Майкельсона входит в экспериментальный фундамент теории относительности как существенный элемент.

Неожиданные результаты приносил опыт во все периоды развития физики. На лекциях следует приводить примеры из самых различных отделов курса физики. Укажем на некоторые из них: опыты Галилея, доказавшие неверность убеждений последователей Аристотеля и приведшие к открытию принципа инерции; опыты Герца и Столетова, приведшие к открытию фотоэффекта и его законов; опыты Резерфорда приведшие к открытию атомного ядра, и др.

Здесь же имеет смысл остановиться на условиях и границах применимости различных законов и теорий. Это крайне важный методологический вопрос, связанный с такими проблемами, как неисчерпаемость свойств материи, с одной стороны, и принцип соответствия с другой. Обычно подчеркивают критерий границ применимости данной теории, что, безусловно, надо делать. Однако не следует забывать, что здесь далеко не всегда дело обстоит так просто. В процессе развитая науки может происходить существенное перемещение границ применимости теории, и критерии применимости теряют иногда свою эффективность. Так, развитие за последние годы макроскопической квантовой физики затруднило четкую формулировку критериев, определяющих границы применимости классических понятий. В явлениях сверхпроводимости и сверхтекучести мы встречаемся с квантованием макроскопических величин (магнитного потока, вращательного момента, механических вихрей в жидком гелии и т. д.). В этих явлениях проявляется когерентность волн де Бройля на макроскопических расстояниях. Поэтому

старое разделение областей применимости классических и квантовых представлений (макро- и микро-) не соответствует современному состоянию вопроса. С другой стороны, создание лазеров позволяет наблюдать фотоэффект при столь большой плотности энергии в падающем световом потоке, что основную роль начинают играть многофотонные процессы. При этом вырывание электрона происходит за счет одновременного поглощения им нескольких фотонов. Это приводит к исчезновению красной границы фотоэффекта и к появлению зависимости кинетической энергии фотоэлектрона от интенсивности падающего света. В результате фотоэффект приобретает классические черты, что соответствует расширению области применимости классической оптики.

Следует обратить внимание студентов на то, что границы применимости того или иного физического соотношения определяются упрощающими предположениями, сделанными в начале вывода этих соотношений. Примером может служить введение понятий абсолютно твердого тела, идеального газа, термодинамического равновесия и т. д. Особо важен вопрос об «огрублении» в квантовой механике, где огрубление прежде всего состоит в описании свойств явно неклассических объектов с помощью классических, понятий, таких как частица и волна. Эти понятия правильно отражают некоторые корпускулярные и волновые свойства квантовых объектов, но, конечно, следует подчеркивать, что речь идет отнюдь не о классических частицах и волнах. В частности, учет роли «огрубления» объясняет единство противоположных свойств квантовых объектов (корпускулярно-волновой дуализм).

Не вдаваясь в развернутый анализ соотношения между относительной и абсолютной истинами (это будет в курсе философии), надо все же отметить, что, несмотря на упрощения и «огрубления», физике удается все глубже и глубже проникать в истинные свойства материи, о чем свидетельствует практика.

В заключение вводной лекции необходимо подчеркнуть студентам, что физика как единый организм вся целиком живет и развивается и ее нельзя разделить на старую, отжившую часть и новую, современную. Ведь ценность общего курса физики состоит именно в демонстрации единства подхода к самым различным классам явлений. Кроме того, сейчас практически невозможно предвидеть, с чем столкнутся на практике выпускники втуза, с практическим использованием какого раздела физики они будут иметь дело. Сравнительно недавно знание основ квантовой физики считалось роскошью для радиоинженеров. Появление квантовой электроники коренным образом изменило ситуацию. Квантовая физика стала также необходимой инженерам, имеющим дело с ме-

ханическими и другими свойствами твердых тел. Для большинства инженерных специальностей изучение дифракции представлялось излишним. В связи с появлением голографических методов технологии знание основ теории дифракции становится весьма нужным для инженеров-технологов. Начинает входить в большую технику чисто квантовое явление – сверхпроводимость. Можно привести множество примеров. Таким образом, гармоничность общего курса физики диктуется весьма важными причинами, прежде всего, необходимостью формирования у будущих инженеров цельного научного мировоззрения.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ

Изучение физики в общем курсе начинается с изучения механического движения. Механическое движение есть одна из форм движения материи.

Кинематика

В кинематике изучаются пространственно-временные закономерности разных видов механического движения вне зависимости от причин, обусловливающих это движение. Предварительно уместно сказать несколько слов о таких категориях, как пространство и время и о том, как они отражаются в нашем сознании.

Материя и формы ее бытия – время, пространство, движение – всегда прерывны и непрерывны одновременно. Ясное понимание этого имеет огромное методологическое значение. Непрерывность – это сохранение данного качества в процессе определенного количественного изменения. Вещь и явление постольку непрерывно и устойчиво существуют, поскольку сохраняют свое качество. Прерывность – это изменение качественного состояния в существований вещи, процессе, явлении.

Академик В. А. Фок писал: «К научному, физическому понятию пространства и времени можно подойти, выделив путем абстракции в соотношениях между событиями материального мира пространственно-временную сторону» [4].

Первыми научными понятиями пространства и времени были представления классической физики. В классической ньютоновской механике пространство и время рассматриваются как объективные формы существования материи, но в отрыве друг от друга и от движения материальных тел. Геометрические свойства пространства описываются геометрией Евклида.

В диалектическом понимании и классические представления о пространстве и времени и представления теории относительности и квантовой механики суть относительные истины, включающие в себя элементы абсолютной истины.

Динамика. Законы Ньютона

Динамика изучает движение тел в связи с теми причинами (взаимодействия между телами), которые обусловливают тот или иной характер движения. Здесь же надо подчеркнуть идеализированный характер движения по инерции, когда можно пренебречь взаимодействием тел. Эта идеализация позволяет ввести понятие об инерциальных системах отсчёта (первый закон Ньютона). Вместе с тем постановка реального эксперимента по наблюдению чисто инерциального движения невозможна. Галилей прибегнул к экстраполяции результатов реальных экспериментов с наклонной плоскостью (одно из первых применений метода мысленного эксперимента).

В динамике существенную роль играют понятия массы и силы. Разъясняя физическое содержание понятия массы как меры инертности тела в поступательном движении, следует также остановиться на том, что формирование этого понятия становится возможным на основании изучения свойств вещества и на основе философских соображений о неуничтожимости всего сущего, являющихся результатом обобщения всей суммы положительных знаний, подтвержденных практикой.

Разъясняя понятие силы, имеет смысл сразу разделить силы на две качественно различающиеся группы: дальнодействующие (гравитационные силы, силы взаимодействия наэлектризованных и намагниченных тел) и близкодействующие – возникающие при непосредственном контакте взаимодействующих тел (силы натяжения, давления, трения и т. п.). В механике из дальнодействующих сил обычно рассматриваются только силы тяготения, из которых в большинстве задач имеет смысл учитывать лишь силу притяжения тела к Земле.

Физикам XIX века казалось, что понять природу сил взаимодействия – значит свести их к механическим силам, подобным силам упругости. Для этого был придуман эфир – среда, заполняющая мировое пространство. Современная физика отрицает такую постановку вопроса. По современным представлениям силы упругости, силы трения, силы химического сродства, молекулярные силы, мускульные силы и другие, за исключением сил всемирного тяготения, являются проявлением электромагнитных сил, и все без исключения взаимодействия осуществляются через поля.

Согласно основным представлениям механики Ньютона, силы, действующие на ка- кое-либо тело в какой-либо момент времени, зависят от положений и скоростей всех взаимодействующих тел в тот же момент времени. Когда взаимодействующие тела не соприкасаются, такое представление предполагает либо непосредственное действие на расстоянии, либо передачу взаимодействий с бесконечно большой скоростью. Ньютоновская механика принципиально допускала взаимодействия, передающиеся с бесконечно большими скоростями. Логически против такого допущения возразить ничего нельзя. Вопрос должен быть решен опытом. Опытные факты привели к заключению, что мгновенных взаимодействий не существует. Скорость распространения взаимодействия ограничена (она не превосходит скорости света в вакууме). Поэтому описание взаимодействий, даваемое механикой Ньютона, практически верно лишь в тех случаях, когда скорости всех взаимодействующих тел малы по сравнению со скоростью света.

В частности, в этом смысле следует обратить внимание на третий закон Ньютона. Из-за конечной скорости распространения взаимодействий этот закон не может быть всегда верным для взаимодействий, осуществляющихся на расстоянии.

Пусть две взаимодействующие материальные точки А и В длительно находятся в покое на некотором расстоянии l. Допустим, что в этом положении силы взаимодействия этих точек подчиняются третьему закону Ньютона. Если первая точка А настолько быстро перейдет в новое положение А', что за время перехода изменение взаимодействия не успеет дойти до точки В, то сила, действующая на точку В, не изменится и будет по-прежнему направлена вдоль .прямой АВ, в то время как первая материальная точка находится уже не в точке A, а в точке А'. Получилось нарушение третьего закона Ньютона, а с ним и механического закона сохранения импульса. Суммарный импульс тел А и В, вообще говоря, не может сохраняться из-за конечной скорости распространения взаимодействий. Современная физика разрешает эту парадоксальную ситуацию следующим образом. Все взаимодействия осуществляются полями – гравитационными, электромагнитными и др. Тело А возбуждает в окружающем пространстве силовое поле, которое в месте нахождения тела В проявляется в виде действующих на него сил. В свою очередь тело В возбуждает аналогичное силовое поле, действующее на тело А. Никаких других силовых взаимодействий, помимо полевых, современная физика не признает. Контактные взаимодействия осуществляются молекулярными полями, быстро убывающими с расстоянием. Так как радиус действия таких взаимодействий не пре-

вышает примерно 10-7 см, они воспринимаются макроскопически как взаимодействия через прикосновения.

Согласно воззрениям позапрошлого века, взаимодействия на расстоянии осуществлялись через посредство гипотетической среды – мирового эфира, которому приписывались свойства обычного вещества. Современная физика рассматривает поля более осторожно. Поле, наряду с веществом, является одним из видов материи. Поле – объективная реальность, посредством которой передаются взаимодействия. Поле может существовать и самостоятельно, независимо от возбудивших его тел. Например, электромагнитные волны, испущенные источником, могут существовать и нести информацию и после того, как источник перестал их испускать. Нет абсолютно пустого пространства, оно заполнено полями.

Поле действует на тело с определенными силами. Однако не имеет смысла говорить о механических силах, действующих на поля. Поэтому с точки зрения полевого взаимодействия третий закон Ньютона может нарушаться: на тело действует сила, но нет силы противодействия, действующей на другое тело. Закон сохранения импульса остается верным, так как импульсом могут обладать не только тела, но и поля. Импульс поля переносится в пространстве соответствующими волнами. При взаимодействии этих волн с телом (поглощение, излучение, отражение волн) изменяется импульс рассматриваемого тела.

Примером проявления импульса электромагнитного поля может служить давление света, существование которого впервые экспериментально доказал П. Н. Лебедев. Пусть тело A излучило кратковременный световой сигнал по направлению к телу В. Дойдя до тела B, свет поглощается, оказывая на него давление. Если тело В не закреплено, то оно начинает двигаться, его импульс меняется. При этом выполняется закон сохранения импульса, так как свет обладает импульсом, в точности равным тому, который приобретает тело В после поглощения света. Соответственно тело А, испуская свет, должно испытывать отдачу, так как процесс излучения света также подчиняется закону сохранения импульса.

В классической механике не приходится сталкиваться с явлениями, в которых проявляются импульсы полей. В этом разделе физики ограничиваются изучением только таких явлений, для которых третий закон Ньютона и закон сохранения импульса в их старом (ньютоновском) смысле выполняются.

Законы Ньютона инвариантны по отношению к галилеевым преобразованиям координат. Связано это с тем, что во второй закон Ньютона входит ускорение, а не скорость движущегося тела. Скорость тела в разных инерциальных системах различна, а ускорение, масса и сила одинаковы, поэтому и второй закон-Ньютона инвариантен по отношению к инерциальным системам отсчета. Здесь проявляется роль ускорения, массы и силы как инвариантных величин в классической механике. В теории относительности эти величины уже не инвариантны!

В связи с этим можно заметить, что физика должна формулировать законы природы так, чтобы эти законы не зависели от выбора исследователем системы координат. Физические законы должны быть инвариантными относительно тех или иных преобразований координат. Эти преобразования должны быть выражением каких-то фундаментальных свойств материального мира. Инвариантность – необходимое, хотя и не достаточное, условие истинности сформулированного физического закона. Если закон инвариантен лишь по отношению к определенным преобразованиям, введенным как логическое обобщение опытных данных, то это указывает на определенные границы, на сферу применимости этого закона. Так, например, законы Ньютона справедливы только в инерциальных системах отсчета.

Можно на примере законов Ньютона остановиться также на правильном понимании характера закономерностей, установленных наукой в результате изучения окружающей нас реальной действительности. Абсолютность физических законов является относительной абсолютностью, так как действие этих законов всегда связано с точно определенными условиями, в которых они проявляются, а если в ходе дальнейшего развития науки устанавливаются границы применимости данного закона, то открывается новый, более общий закон.

Закон сохранения и превращения энергии выражает одну из характерных общих сторон, присущих всем формам движения, любым видам взаимодействий, и выполняется с абсолютной точностью. Между тем, закон всемирного тяготения Ньютона относится лишь к определенной сфере материальных взаимодействий и даже в этой сфере не является абсолютно точным. Более точно законы тяготения формулируются в общей теории относительности.

Законы сохранения

Изложение законов сохранения представляет собой наиболее благодатную почву для философских обобщений. Развитие естествознания и прежде всего физики дает все новые данные, подтверждающие незыблемость всеобщего закона сохранения и превращения материи и движения в форме конкретных законов сохранения и превращения.

Законы сохранения тесно связаны со свойствами симметрии физических систем. При этом симметрия понимается как инвариантность физических законов относительно некоторого преобразования входящих в него величин. Согласно теореме Нетер наличие в системе симметрии приводит к тому, что для этой системы существует сохраняющаяся физическая величина.

Особенно важное методологическое значение имеет связь между отдельными законами сохранения и фундаментальными свойствами пространства и времени. Можно показать, что закон сохранения механической энергии связан с однородностью времени, закон сохранения импульса – с однородностью пространства, закон сохранения момента импульса – с изотропностью пространства.

Однородность времени проявляется в том, что законы движения замкнутой системы (или системы, находящейся в стационарном внешнем поле) не зависят явно от времени. Иначе говоря, если в два различных момента времени все тела вышеуказанной системы поставить в совершенно одинаковые условия, то начиная с этих моментов, все явления в системе будут протекать совершенно одинаково. Например, при свободном падении тела в стационарном поле силы тяжести у поверхности Земли, скорость тела и пройденный им путь зависят только от продолжительности свободного падения тела и от начальной скорости, а не от того, в какой конкретно момент времени тело начало падать.

Однородность пространства проявляется в том, что физические свойства замкнутой системы и законы ее движения не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета. Если осуществить параллельный перенос в пространстве замкнутой системы как целого и поставить все тела системы в те же условия, в каких они находились до переноса, то в силу однородности пространства перенос системы никак не отразится на ходе всех последующих процессов в системе.