Воспитание к свободе - Карлгрен Франс

В данной эпохе мы все время имеем дело с полярностями: электричество никогда не проявляется односторонне. Оно всегда полярно, мы называем это плюс и минус, электричество стекла или затвердевшей смолы (Фарадей). Переменные электрические и магнитные поля обусловливают друг друга, постоянно взаимодействуя и воспроизводя друг друга. Частица и волна выступают как полярности, емкость и индуктивность тоже полярны. Большое впечатление производит электрический колебательный контур — резонанс, получаемый в результате полярности индуктивности и емкости, с помощью которого мы и ловим (например по радио) из миллиона электромагнитных колебаний одну, нужную нам волну. Или полярность металлов, создающая напряжение в гальваническом элементе, фотоэлементе или термоэлементе.

Учение об электричестве — это эпоха напряжения, двойственности и полярности. Открытия Эрстеда и Фарадея конкретны, их можно «ощутить» в микрофоне и в телефонной трубке или в полярности мотора-генератора.

У электричества многосторонняя и глубокая сущность. Что мы измеряем, например, электрическими измерительными приборами? Все что угодно, но только не электричество. Мы измеряем теплоту, точнее говоря, расширение нагретой проволоки или магнитную силу, образующуюся благодаря электричеству. Электричество исчезает здесь в тот же момент, в какой оно проявляется. Оно превращается в теплоту и силу. Оно невидимо, не существует в чистом виде, его нельзя почувствовать, мы не обладаем органом его восприятия, и в момент проявления оно тут же превращается в другие физические формы. Электрические поля статического электричества проявляются тоже не как электричество в чистом виде, а как механические силы. В батарее тоже нет электричества, нет его и в так называемой электрической искре, там есть только раскаленная светящаяся материя. Нельзя не показать учащимся одиннадцатого класса такую противоположность, как феномен-модель. Мы должны четко различать такие эксперименты, которые имеют дело с непосредственно ощущаемым миром, и такие, которые отражают наши представления, идеи, гипотезы и модели. В учениках часто нет этого четкого различия, опыт и представления часто смешиваются, и при описании проведенных опытов мы должны ясно показать, где истинное наблюдение, а где теория. На уроках в старших классах всегда перекликаются два момента: рабочий метод исследователя и физическое мировоззрение естествознания.

В одиннадцатом классе уже полностью теряется единство и гармония десятого класса, их сменяет полярность, двойственность, напряжение. Что же, значит, о сущности электричества нельзя ничего сказать однозначно и окончательно? Может быть, этим вопросом и стоит завершить эпоху физики в одиннадцатом классе.

Двенадцатый класс

Приблизительно четырехнедельная эпоха начинается с явлений геометрической оптики и механических колебаний. Отражение, преломление, дифракция, поляризация и интерференция — это все свойства света, которые помогают нам понять ряд обыденных, окружающих нас явлений. Одновременно эти феномены являются основой для понимания той значительной роли, которую двойственная трактовка света сыграла в истории физики. Такой ученый, как Ньютон, довольно долго придерживался так называемой корпускулярной теории, хотя большинство ученых в то время уже признавали теорию волн Гюйгенса. И только после того, как Френель и другие ученые обосновали явления дифракции и интерференции, ученики Ньютона окончательно отказались от представления, что свет — это частицы.

Итак, «свет — это волна». Но в какой среде? Ведь волна ассоциируется у нас всегда с волной в воде. Поэтому изобрели эфир. Но человеческий дух никак не хотел признавать себе это невидимое, невесомое «вещество», пока наконец не пересеклись дороги электричества и оптики: Максвеллу удается рассмотреть свет как электромагнитное колебание и, тем самым, включить свет в область уже познанного — волн. А после того, как удалось обнаружить интерференцию рентгеновского излучения, наконец стало возможным классифицировать все известные явления колебаний и включить их в шкалу электромагнитных колебаний.

Но такое однозначное представление просуществовало в науке недолго.

Вскоре Макс Планк делает решающие открытия. Быстро за тем возникшая квантовая теория не оставляет никаких сомнений: свет нужно рассматривать как частицу (фотон). В конечном итоге и свет имеет двойственную природу; в зависимости от условий он проявляется или как волна, или как частицы. Но самые большие трудности понимания физических процессов возникают, когда мы представляем ученикам атомную модель в ее развитии до сегодняшнего уровня познания: само вещество также обнаруживает явления интерференции, следовательно должно иметь волновой характер. Появляется волновая механика. Дальтон первый придумал атомарную модель и начал интересную эру в науке. Если мы хотим понять, как можно наблюдать все, происходящее на атомарном уровне, то можно в качестве примера взять известный опыт Резерфорда. Он пропустил излучение через тонкую золотую фольгу. В некоторых местах это излучение так отклонялось, что Резерфорд мог идентифицировать электрические концентрации с идеей атомного ядра. «Резерфорд открыл атомное ядро». До сегодняшнего дня сохранилась идея Резерфорда, что атом в основном состоит из пустоты. Затем Нильс Бор предлагает новую картину атома, с учетом новых феноменов квантовой физики.

Гейзенберг о Боре: «Чувствовалось, что Бор получил свои результаты не посредством расчетов и доказательств, а с помощью догадок и интуиции». Бор сам говорит: «Исходным пунктом была отнюдь не идея, будто атом является системой планет в миниатюре и будто здесь применимы астрономические законы. Я никогда не понимал это все так буквально. Скорее исходным пунктом для меня была устойчивость материи, которая с точки зрения существовавшей до сих пор физики была просто чудом... Устойчивость материи означает непременимость ньютоновской физики внутри атома, в лучшем случае она может служить отправной точкой. Поэтому и нельзя дать наглядного описания структуры атома. И именно потому, что оно должно быть наглядным, приходится прибегать к понятиям классической физики, которая в данном случае не соответствует реальности». Гейзенберг: «Сможем ли мы вообще когда-нибудь понять атомы?» Бор: «Да. Но мы должны одновременно уточнить, что означает слово “понимать”» (Гейзенберг В. Часть и целое).

Несмотря на это, ученики Бора и Гейзенберга в тысячах учебников так однозначно представили модель атома, что для большинства людей она стала реальностью. Химик, например, отлично работает с этой моделью, хотя она теоретически уже устарела, но еще вполне подходит для его целей. Задача школы заключается в том, чтобы вызвать у человека интерес к таинственной материи, имеющей определенную структуру, и познакомить его с проблематикой истинного познания материи.

«Хотя современное естествознание и говорит о структурах атома, но слово "структура" берется здесь в самом его общем значении, т. е. как структура в пространстве и во времени, как свойство симметрии сил, как возможность присоединения к другим атомам. В атоме представление и объем взаимозамещаемы, потому что атом, собственно, не является ни тем, ни другим» (Гейзенберг).

Далеко не очевидно, что такую сложную структуру, как атом, нельзя понять лучше, построив его «простую модель». Хотя такое упрощение и дает возможность расчета физических процессов, но в то же время, оно всегда чревато неточностью. Ведь каждое «модельное» представление имеет свои границы применимости, и может в любой момент стать неверным, если мы не осознаем эти границы.

В этой связи Вальтер Хайтлер говорит: «Я считаю неправильным, что в средней школе пытаются в упрощенной форме представить высшие абстрактные области науки, которые в действительности могут быть поняты только в университете».

Нам никогда не следует забывать, что многие ученики вряд ли позже будут заниматься физикой. Та картина, те впечатления, которые они получили о современных, самых сложных областях естественнонаучного мировоззрения, останутся на всю жизнь. Ученики же, которые будут заниматься изучением естественных наук, должны помнить, что самые великие из современных ученых еще борются за те научные идеи, на которые практики зачастую вообще не обращают внимания.