Текст книги "Физика? Нет ничего проще! Возвращение физики"

Отмеченное соотношение вероятностных и статистических законов, по-видимому, расширяет возможности установления законов детерминистского характера, столь необходимых нам для анализа развития исследуемой ситуации.

Проведенное в этом разделе книги рассмотрение типов законов и их взаимосвязи чрезвычайно важно с точки зрения научно-познавательной деятельности вообще. В том-то и состоит роль физики как простейшей отрасли науки. Исследовательские принципы и подходы, сформированные и отработанные на простейших физических моделях, должны носить общий характер для любых объектов исследования. Естественно, обогащаясь в деталях и приводя к обнаружению новых исследовательских возможностей.

5.4. Теоретико-информационный подход к установлению и пониманию физических законов

Хорошо известна широкая эрудиция физиков в самых различных областях познавательной деятельности. И столь же хорошо известна реакция многих «нефизиков» (и «нематематиков») на высказывание физиками суждений по поводу так называемых «гуманитарных» проблем. Реакция эта чаще всего агрессивна и во многих случаях дословно звучит так: «Ну что вы везде суете свою физику!». Чаще всего физики оказываются правы. В чем же дело? Да просто они осознали универсальность математических представлений наблюдаемых явлений величинами и операциями над ними. Поэтому здесь имеет смысл вернуться к физическим величинам с точки зрения общего характера физических представлений.

В предыдущей главе обсуждалось формирование обыденной, «дофизической» модели, формирующейся в результате поступления в мозг сигнала от совокупности рецепторов при наблюдении явления. Уже на этом, самом первом, уровне построения адаптационных движений [1] происходит выделение из множества рефлекторных колец, хранящихся в памяти, «тематического подмножества» по принципу родства воздействия. Это уже свидетельствует о сопоставлении таких колец, их сравнении по определенным признакам. Таким, например, как уровень сигнала и ассоциативная удаленность родственных сигналов от сигнала, вызывающего данную реакцию. В любом случае для таких родственных сигналов сопоставление изначально носит дихотомический характер: «большой – малый». В старославянском языке – «великий – малый». Отсюда и «величина» – «большесть» одного проявления наблюдаемого признака по отношению к другому. Таким образом, первое, что происходит при формировании «обыденной» модели – это измерение ее параметров путем сопоставления либо с близкородственными явлениями (на уровне понятия), либо с более отдаленными по степени родства. В последнем случае в сопоставление включаются другие «тематические подмножества», пересекающиеся с возникшим в результате выделения из мира конкретного элементарного явления. Все такие пересечения образуют более высокий уровень обобщения (и, следовательно, построения движения) – концепт. Математическая операция пересечения множеств отражает физические операции взаимодействия физических прототипов этих множеств. Необходимость углубления понимания происходящего приводит к переходу на более высокие уровни формирования реакций [1]. Естественно, этот переход приводит к еще более изощренной операциональности описания происходящего в пространстве моделей.

Необходимость описания выделенного из мира явления социально обусловлена необходимостью обмена информацией, связанной с этим явлением. Поэтому неосознаваемые изначально сопоставления и оценки последовательно формализуются в виде величин, в первую очередь – физических. Процедура такой формализации детально описана выше в разделе 4.3. Но различение неких базовых величин и последовательный переход к операциям над ними в пространстве моделей происходит еще до формализации представлений этих величин и операций. Очевидно, что результат преобразования величины какой-либо операцией тоже есть величина. Но величина, уже производная от исходной (или совокупности исходных величин). С математической точки зрения, тот или иной оператор сам по себе не является физической величиной, но результат его воздействия на какую-либо величину – является. Так, например, оператор

– не физическая величина, а

– скорость – физическая величина, характеризующая процесс изменения положения тела в пространстве.

Отсюда следуют важные выводы по поводу формирования физических представлений.

1. Поскольку физика изучает взаимодействия физических тел и физических полей, первично, еще до осознания, мозг формирует величины, характеризующие собственно эти феномены. Применительно к физическим телам и физическим полям – это характеристики их свойств. Впоследствии, в процессе научно-познавательной деятельности, эти «протовеличины» конкретизируются в такие физические величины, как, например, заряд и масса. А характеристика воздействий тел и полей друг на друга развивается далее в физическую величину «сила».

2. Изначальная дихотомичность оценки свойств делает формируемые физические величины, характеризующие эти свойства, с математической точки зрения равноправными. В том смысле, что они характеризуют некий эффективный размер объекта физического исследования в соответствующем пространстве.

3. В виртуальном мире нашего сознания нет исследуемых объектов. Там есть величины, характеризующие эти объекты. И поведение объектов исследования в реальном мире для мира величин описывается математическими операциями над ними. Операциям безразличны объекты реального мира. Важно, чтобы эти операции были математически допустимы и соответствовали принятой к рассмотрению в нашем виртуальном мире физической модели наблюдаемого явления. Они, эти операции, и возникали-то изначально в связи с физическими или, по крайней мере, физичными представлениями. Универсальность одних и тех же операций применительно к различным величинам приводит к тому, что мы реально рассматриваем поведение величин. То есть, наряду с «базовыми» физическими величинами появляются порожденные операциями достаточно универсальные «физические величины, характеризующие поведение величин». Сюда, например, относятся ток и поток любой величины – заряда, массы, скорости, вихря, странности и т. д..

В результате такого равноправия и универсальности величин универсальными относительно этих величин могут оказываться и представления причинно-следственных связей между ними.

Из всего сказанного по поводу формирования величин и физических величин (в частности) следует, что информацией называется процесс или результат преобразования явлений реального мира в явления виртуального мира нашего сознания. Отсюда следуют «технологические», в конечном счете – математические определения информации, назначение которых – обеспечить корректную обработку этой самой информации. Детали этого выходят за пределы рассмотрения в данной книге. Однако важно то, что стихийно или строго введенные в процессе указанного преобразования величины далее обрабатываются в соответствии со специфическими информационными законами, безотносительно к сущности реальных прототипов наших виртуальных представлений. Поэтому не вызывает удивления, например, сходство как самих экспериментов Кавендиша, Кулона, Био и Савара, так и их формализованных на уровне законов результатов. Те же токи и потоки величин формально описывают, казалось бы, совершенно различные физические явления. Однако «мозг умнее нас», находя теоретико-информационными инструментальными методами общие черты в различных по своей природе деталях картины мира.

В одних случаях такое обобщение носит чисто математический характер, порождая теорию подобия [2] с ее возможностями моделирования. При этом возможности могут выходить за пределы не только физики, но и техники. Так, поведение толпы в определенных условиях может быть описано математическим аппаратом, используемым обычно в молекулярной физике или электродинамике. Процесс и результат усвоения алгоритма интеллектуальной деятельности вполне корректно описывается законами, вид которых тождествен математической формализации законов радиоактивного распада и электромагнитной индукции.

Понимание именно физических аналогий величин и их поведения в информационном пространстве позволяет расширить наши возможности создания физических модельных представлений систем и описания их законами. Следовательно, расширить и возможности понимания физических явлений, а также понимания физики в целом как интеллектуальной методологии подхода к научному познанию мира.

Наконец, уже упомянутое сходство законов, описывающих взаимодействия физических полей, неминуемо заставляет задуматься о возможном единстве природы этих полей (Эйнштейн, например, задумывался). И, соответственно, направить усилия на глубокое изучение этой проблемы с применением современнейших экспериментальных методов и изощренных математических приемов.

Задачей настоящей главы является демонстрация простоты установления физических законов, а следовательно – доступности этой процедуры для любого заинтересованного познавателя. Ну и, конечно, демонстрация тождественности процедур установления закона и его понимания – в том числе в случае рассмотрения закона, уже установленного кем-либо другим. Если решение поставленной задачи благополучно осуществилось, то нам осталось понять, зачем же все это – величины, модели, законы да и вообще втягивание личности в процесс научного познания. Тем более – физического.

5.5. Определение физической величины как форма детерминистского закона

В предыдущей главе была детально рассмотрена процедура введения и определения физической величины с обоснованием происхождения соответствующего алгоритма и смысла каждого из его шагов. Все эти шаги не вызывали никакого удивления и затруднения – просто мы на разных уровнях детализации представлений последовательно подбирали математический аппарат, приближаясь к однозначности определения величины. То есть все было естественно: в голове у нас только величины (в сущности, в математическом смысле этого слова) и способы оперирования этими величинами. Вот мы и приспосабливаем их к нашей задаче. Но последний, шестой шаг алгоритма – «численное значение величины» – вызывает некоторое напряжение своей искусственностью. Нужно какое-то универсальное понимание «математического базара» и заведомо доступный и понятный для каждого принцип пользования его прилавками и развалами. Что же на этом «базаре» происходит на самом деле?

Прежде всего, вводимые физические величины в плане определения их численного значения можно четко разделить на две группы. К первой относятся величины, численное значение которых изначально устанавливается сравнением с эталоном соответствующей меры – путь, перемещение, сила, масса, заряд, время… Здесь все ясно: возникла необходимость введения меры – ввели, выбрали эталон, и вперед! Ко второй, гораздо более многочисленной, группе относятся величины с этого самого «базара» – выражаемые через другие физические величины. Непосредственно через величины первой группы, а также через уже ранее «принесенные с базара» величины. Вот эта-то, вторая, группа и вызывает затруднения в умах. Опять какие-то гении и высшие силы? Ан нет!

Если численное значение величины не может быть оценено при помощи эталонирования, включается вторая группа – необходимо выразить эту величину через другие величины. Это значит, что следует установить функциональную зависимость между вводимой величиной и другими величинами. В математике функциональная зависимость носит по определению причинно-следственный характер. При введении физических величин соответствующие функции должны быть однозначными на конвенционном уровне, поскольку только в таком случае возможно однозначное взаимопонимание субъектов научно-познавательной деятельности. Следовательно, физические величины отражают принципиально детерминированные причинно-следственные зависимости. Каким образом устанавливаются эти зависимости?

При необходимости введения меры явления или свойства такие зависимости устанавливаются в результате мысленного эксперимента на физической модели этого явления. Первый пример: скорость движения тела. Скорость вводится как мера процесса изменения положения тела в пространстве, то есть для ответа на вопрос: «Как именно скоро (быстро) происходит изменение положения тела в пространстве?». Это не что иное, как первый шаг алгоритма установления закона – постановка задачи по установлению закона. Сравнивая быстроту изменения положения различных тел в пространстве (организация и планирование эксперимента, проведение измерений), мы сопоставляем пути, пройденные этими телами за один и тот же промежуток времени (измерение зависимости пройденного пути от времени). Произвольный выбор величины этого промежутка делает весьма затруднительным осмысление результатов, полученных различными субъектами процесса измерения. Явно необходима конвенция – соглашение о едином для всех этих субъектов промежутке времени, соответствующем конкретному пути, измеренному с целью определения быстроты перемещения тела (выявление закономерности). И совершенно очевидно, что для простоты вычислений лучше всего выбрать единичный промежуток времени. Отправляемся на «математический базар» и там находим операцию отнесения значений одной величины к единице другой величины (введение модели). Это операция деления. Таким образом мы приходим к численному равенству скорости перемещения тела пути, пройденному этим телом за единицу времени (формулирование закона). Итак, при определении численного значения вводимой физической величины мы действуем в соответствии с алгоритмом установления закона (рис. 5.1), пусть даже в варианте некоторых сверток отдельных сочетаний его шагов.

Другим примером может служить механическая работа. Мы наблюдаем процесс изменения состояния механической системы и вводим необходимую физическую величину. Возникает вопрос: «Как именно протекает процесс изменения механического состояния системы?» (постановка задачи по установлению закона). Изменение механического состояния системы происходит в результате механического воздействия на рассматриваемое тело. В результате такого воздействия тело изменяет положение в пространстве, перемещается, изменяя состояние системы. Мерой воздействия является векторная физическая величина «сила», мерой изменения положения в пространстве – векторная физическая величина «перемещение». (Все это – организация и планирование эксперимента, а также проведение измерений). Практика изменения механического состояния систем показывает, что процесс этого изменения тем результативнее, чем интенсивнее воздействие и чем большего изменения положения тела в пространстве удается достичь. Это означает, что вводимая физическая величина должна возрастать с ростом величин «сила» и «перемещение». Не вполне ясно как, но возрастать (измерение зависимости следствия от причины). Это – общее для всех механических систем положение (выявление закономерности). Модель, собственно говоря, уже введена самим подходом мысленного эксперимента (введение модели). А вот теперь – надо «прочитать» эту модель, то есть сформулировать закон. При введении физической величины «механическая работа» в технологии раздела 4.4 настоящей книги выясняется, что эта величина должна быть скалярной, поскольку процесс изменения состояния не характеризуется направлением в пространстве. Получается, что нам надо связать между собой два вектора (силы и перемещения) так, чтобы получился скаляр (механическая работа). Отправляемся на «математический базар» и там находим единственное решение – скалярное произведение двух векторов. Отсюда следует, что скалярная физическая величина «механическая работа» численно равна произведению модулей силы и перемещения на косинус угла между их направлениями (формулирование закона и математическая запись закона). Действительно – ну чем не закон? Совершенно аналогично на «математическом базаре» в виде векторного произведения векторов находим численные значения для таких векторных величин, как угловая скорость, момент силы, силы Ампера и Лоренца и все прочие. И все соответствующие выражения имеют силу законов. Причем детерминистских.

Теперь можно подвести итог проведенному рассмотрению. Его можно сформулировать так. При введении физической величины, численное значение которой выражается через другие физические величины, процесс нахождения конкретного вида этого выражения соответствует реализации алгоритма установления закона, а само выражение представляет собой детерминистский физический закон.

Литература к главе 5

1. Бернштейн, Н. А. О построении движений [Текст] / Н. А. Бернштейн // Биомеханика и физиология движений / Под редакцией В. П. Зинченко. – 2-е изд. – Воронеж: НПО «МОДЭК», 2004. – С. 7—380.

2. Веников, В. А. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1976. – 479 с.

3. Илларионов, С. В. Теория познания и философия науки [Текст] монография / С. В. Илларионов. – М.: «Российская политическая энциклопедия» (РОССПЭН), 2007. – 535 с.

4. Кан, Дж. Теория роста кристалла и движение границы раздела фаз в кристаллических материалах [Текст] / Дж. Кан // Успехи физических наук. – 1967. – т. 91, вып. 4. С. 677—689.

5. Новая иллюстрированная энциклопедия [Текст] / т. Жа – Ит. – М.: ООО «Мир книги», науч. изд-во «Большая российская энц-ия», 2005.

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

7. Фролов, А. А. Огранение кристаллов силицидов и германидов при выращивании из расплава [Текст] / А. А. Фролов // Рост кристаллов, т. 17. – М.: Наука, 1989. С. 216—237.

8. Фролов, А. А. Технология интеллектуального образования [Текст] / А. А. Фролов. – Екатеринбург: Раритет, 2014. – 180 с.

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

Глава 6. Физические задачи и их решение

Так уж сложилось, что в представлении обывателя слово «задача» ассоциируется с необходимостью исполнения того, что задано извне, как правило – без необходимости понимания сущности исполняемого. Это представление формируется на уровне общего образования и затем поддерживается социальной практикой.

Отсутствие понимания сущности и содержания физических задач в системе образования начало усугубляться в нашей стране в восьмидесятые годы прошлого века. Определенным сигналом послужило массовое решение задач по геометрической оптике без выполнения необходимых построений. Осознанное решение таких задач в этом случае невозможно. Затем исчезли чертежи и схемы из решений задач, связанных с механикой и электричеством.

В итоге решение физических задач превратилось в системе образования в запоминание неких совокупностей шаблонных действий без осмысления содержания задачи. Это неминуемо приводит (и уже привело) к аналогичному подходу в решении других задач, в том числе – социальных.

Но в то же время как классики физической науки, так и современные физики решали и решают какие-то задачи, смысл которых далек от обыденного сознания, а назначение и результаты – удел популяризации, как правило, неудачной с физической точки зрения. Так почему же все-таки эти единицы занимаются решением физических задач, понимая, чем они занимаются? Да просто дело в том, что по причинам психологического порядка эти задачи представляют для них интерес. Более того, интерес «кровный»: задачи присвоены субъектами их решения, исследователи в прямом смысле слова живут этими задачами и в условиях этих задач. В связи с этим можно сформулировать психологический закон: «Человек не может осознанно решать чужие задачи». Научные работники-физики (увы, далеко не все из формально относящихся к этой категории специалистов), присвоившие те или иные задачи, осознанно их решают, включая поневоле в явном виде структурные особенности научного продуктивного мышления (см. главу 3). Остальные, невзирая на степени и ранги – от школьника до доктора наук – выполняют каторжные работы, в лучшем случае пребывая в ожидании озарений [8, C. 141].

Возвращая физику в пространство общечеловеческой культуры, важно понимать, что решение задачи – завершающий этап цикла научно-познавательной деятельности исследователя (рис. 3.1). Этап, из-за которого вся эта деятельность и затеяна. Все, изложенное в третьей, четвертой и пятой главах книги, основано на представлении о принципиальной алгоритмичности мышления, в явном виде проявляющейся в научном продуктивном мышлении. Рассмотренные прецеденты этой алгоритмичности при введении определений понятий и физических величин, а также установлении законов позволяют предположить, что и решение задач происходит в соответствии с определенным универсальным алгоритмом, являющимся «дочерним» по отношению к алгоритму научно-познавательной деятельности (рис. 3.1). Это предположение, в частности, подтверждается доросшим до уровня коллективного сознательного представлением, зафиксированным в Федеральном государственном образовательном стандарте общего образования. Этот стандарт предусматривает необходимость формирования обучающимися компетенции в области единого подхода к решению любых задач.