История физики — неотъемлемая часть истории науки

Предмет и методы изучения истории физики

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• предмет, цели, принципы и методы освоения исторических и методологических аспектов развития физики как науки;

уметь

• • приводить примеры связи физики с историей развития общества, математикой, техникой, философией;
• • анализировать особенности применения историко-методологического подхода в преподавании школьного курса физики;
• • выделять внутренние и внешние факторы развития физики как науки;

владеть

• навыками оперирования основными понятиями истории и методологии физики.

Ключевые термины: гуманитаризация образования, принципы, цели и методы истории физики, история современности, история и методология физики (как учебная дисциплина).

Приступая к изучению любой новой науки, необходимо, прежде всего, осознать, для чего эта наука существует, какое место она занимает в общечеловеческом интеллектуальном багаже, как и какими методами оперирует. В этом случае изучение становится полностью осознанным, а применение полученных знаний — наиболее эффективным. В максимальной степени это касается будущих педагогов, которым адресовано настоящее пособие.

История физики — предмет, изучающий историю возникновения и развития физики как науки, как единого целого, как объективно возникающего общественного явления, занимающего важное место в жизни общества, отражающего его наиболее передовые взгляды и воззрения на окружающий мир и выполняющего своеобразную роль двигателя прогресса.

Историю и методологию физики следует воспринимать как синтез естественно-научного и гуманитарного подходов к изучению явлений природы с учетом взаимосвязи развивающейся науки с жизнью и развитием общества. Первый из них характеризуется точностью, обоснованностью, логическими связями частей — всем тем, чем отличаются точные науки. Второй, гуманитарный, подход привносит в историю физики мощный психологический фактор, понимание прямой причинно-следственной взаимозависимости науки и происходящих в обществе процессов и событий.

Процесс гуманитаризации естественно-научного образования нелегок и неоднозначен. Усвоение гуманитарных знаний людьми, чей склад ума направлен на восприятие преимущественно естесственно-научных и технических знаний, требует подхода, который совмещал бы методы обучения, принятые в преподавании как естественных, так и гуманитарных наук. Перед преподавателями всех уровней, таким образом, стоит задача совместить оба подхода к образованию, обосновать оптимальные методики обучения, найти, если это возможно, учебные дисциплины, которые бы являлись одновременно естественно-научными и гуманитарными. Среди подобных дисциплин важное место занимает курс «История и методология физики».

Знание истории и методологии физики является неотъемлемой частью естественно-научного и гуманитарного образования. Конечно, знания, относящиеся к естественно-научной части предмета, могут быть получены непосредственно при изучении курсов общей и теоретической физики. Однако в них не может быть уделено достаточного внимания историко-физическим проблемам, что совершенно естественно, так как применительно к процессу изучения этих дисциплин такие задачи не стоят. В то же время отсутствие у преподавателя широких знаний в области истории и методологии данной науки существенно обедняет его научно-методический и социально-культурный кругозор. С этим и связано введение данного курса в программы педагогических вузов.

Кроме того, история той или иной науки, как и история физики в частности, позволяет проследить эволюцию научных представлений и понятий, ознакомиться с биографиями выдающихся ученых во взаимосвязи с их взглядами на природу явлений и научными трудами, представить многогранную взаимообусловленность развития науки и общества. По словам выдающегося физика-теоретика и естествоиспытателя Луи Виктора Пьера Раймона — известного как Луи де Бройль: «Введение истории науки в учебные программы… было бы весьма желательным. Она может дать молодым умам представление об условиях, в которых развивалась наука, об ее прошлом и ее будущем; она послужила бы полезным дополнением к научному образованию…».

Рассматривая историю физики как науку и как учебный предмет, нельзя не остановиться на нескольких основополагающих принципах.

• 1. Изучение истории и методологии физики предполагает наличие твердых знаний физики как таковой. Поэтому преподавание этого предмета должно проводиться на старших курсах, когда студенты уже приобрели серьезные знания по общей и теоретической физике, по астрономии. К этому времени они уже знакомы также с основами методики преподавания этих предметов в школе. Другими словами, изучение истории и методологии физики — дело профессионалов. Хотелось бы, чтобы наш образованный читатель не забывал о существовании этого принципа.
• 2. Необходимо всегда помнить, и об этом будет подробно говориться ниже, что физика выделилась из натурфилософии сравнительно поздно — только в XVII в. Поэтому первая глава курса будет посвящена усвоению комплекса знаний, более общих, нежели сам по себе предмет физики. Астрономия и химия, география и философия, строительная механика и военное дело: на ранних этапах истории науки они были неразличимы.
• 3. Развитие физики будет рассматриваться не изолированно, а в связи с историей развития общества в целом. Одной из главных задач предмета «история и методология физики» является установление многогранных связей науки физики с уровнем развития и жизнью общества. На протяжении истории человеческого общества физика была связана с жизнью людей крепчайшими, хотя и не всегда хорошо различимыми связями. Мы далеко не всегда помним, например, что эпоха Великих географических открытий, ознаменовавшая начало бурного развития нашей промышленной цивилизации, своими успехами была обязана астрономии.

Взаимосвязь физики с другими науками, с развитием техники — основа процветания цивилизации в течение многих веков. Эта взаимосвязь прослеживалась и действовала в разное время по-разному, но всегда было двигателем прогресса человечества. Несложно, например, увидеть родство физики с химией и биологией. Очень тесна связь физики с математикой. Несколько труднее заметить и выявить связи физики и гуманитарных наук, которые, тем не менее, имеют место. В процессе преподавания необходимо определить такие связи и суметь довести их до учащихся, как физиков, так и гуманитариев.

Успехи науки способствуют не только развитию экономики или военного дела. От науки в значительной степени зависит интеллектуальное, нравственное и психологическое состояние и развитие человеческого общества в целом. Интерес к физике, несмотря на некоторое его ослабление в последние годы, остается очень высоким. Недаром ежегодное присуждение Нобелевских премий по физике на длительное время становится главной новостью в сфере науки, в средствах массовой информации (СМИ).

Вообще СМИ в соответствии с общей тенденцией развития общества играют все большую роль в связях между наукой и обществом. Мы постоянно становимся свидетелями инспирированных ими научных эйфорий, когда какое-то открытие в физике приводит к необузданным футурологическим прогнозам, которые делаются отчасти специалистами, но в немалой степени и людьми, не связанными или связанными лишь косвенно с серьезной наукой. Все мы хорошо помним, какие прогнозы, к сожалению не оправдавшиеся полностью, вызвало открытие высокотемпературной сверхпроводимости.

Научные открытия, технические изобретения, техногенные катастрофы могут привести общество к противоположному состоянию — научной или технической фобии, когда общественность апокалиптически воспринимает ту или иную научную идею. Непрофессиональный подход к науке, который широко распространен в СМИ, приводит к дополнительным страхам в обществе, неприязни к ученым и их открытиям. И специалистыфизики сильнее всего страдают от этого. Подобное положение приводит к повышению ответственности физиков-профессионалов за отношение обычных, не связанных с наукой людей к их научной деятельности. В первую очередь это касается школьных учителей, представляющих передний край борьбы за подлинные научные знания. Предмет «История и методология физики» призван помочь будущим учителям в обретении знаний, которые позволят им умело и аргументированно доводить до учащихся необходимую информацию и представления о месте тех или иных физических явлений окружающего мира в их взаимосвязи с жизнью общества.

Идеальной, конечно, была бы разработка тестов, позволяющих проанализировать, содержатся ли в информации о ранее неизвестном физическом явлении идеи, суть которых расходится с основными представлениями физики. Этого, по-видимому, полностью сделать не представляется возможным, но история науки хотя бы в какой-то мере помогает решить и эту задачу.

• 4. Изучая историю физики, невозможно пройти мимо эстетики этой науки. Помочь будущим преподавателям в полной мере оценить красоту научных решений и их значимость для современной науки — одна из целей курса. Иногда это удается сделать наилучшим образом, опираясь на историко-биографический материал. Выдающиеся ученые, как правило, весьма разносторонние люди, для которых наука, тем не менее, является главным делом жизни. Используя научный талант, повышенную интуицию, эстетические пристрастия, такие люди добиваются результатов, которые не только существенно продвигают науку вперед, но и делают это наиболее совершенным, методически оптимальным образом. Более того, нередко, занимаясь гуманитарными дисциплинами как «хобби», они, используя опыт научных исследований, достигают в этих дисциплинах выдающихся успехов. Примеров подобного рода множество. Вспомним выдающийся вклад известного советского механика и математика, академика Б. В. Раушенбаха в теорию живописной перспективы.
• 5. Физика как наука насчитывает уже более двух тысячелетий. Однако темпы развития этой науки на протяжении этого времени не были одинаковыми. По мере приближения к нашему времени они постоянно возрастали. Поэтому курс истории и методологии физики не может не включать достаточно большого раздела, посвященного истории физики современности, освещающей историю физических открытий конца XX — начала XXI в. В предлагаемом курсе эта часть несколько расширена, больше внимания уделено истории современных открытий в физике (см. раздел 6). Причиной тому является увеличение числа людей, причастных к физике, рост темпов ее развития, повышение интереса к естественным наукам среди населения. Кроме того, изучение современной физики, включая историю открытия новейших физических законов и явлений, позволит будущим учителям приобрести дополнительные знания, необходимые для пробуждения интереса учащихся к физике и другим естественно-научным дисциплинам. До последнего времени этому направлению не уделялось достаточного внимания, что значительно усложняло деятельность преподавателей. Сегодня потребность в подобных знаниях еще более возросла в связи с введением профильного обучения.
• 6. Как обычная история народов отмечает лишь самые значительные события, так и история науки изучает преимущественно вершины научных исследований, что предполагает необходимость в то же время хотя бы немного приоткрыть дверь в «лабораторию гения», проанализировав пути, по которым прошла его творческая мысль, прежде чем родилось открытие. Эту задачу может по-настоящему решить только человек, стремление к познанию которого находится на уровне первооткрывателя. И все же следует пытаться это делать, тем более что в некоторых случаях ученые сами «раскрываются» при изложении своих воззрений и трудов. Вместе с тем не должна остаться не отмеченной деятельность множества людей, самоотверженно работавших в науке, посвятивших ей себя вплоть до самопожертвования. Без стараний и упорного труда «строителей-каменщиков» (рядовых ученых), «архитекторам» (гениям науки) не удастся создать «здание» научной теории, а также осуществить фундаментальные исследования.
• 7. Рассматривая историю физики, нельзя забывать о ее методологических аспектах. Методологию можно рассматривать двояко: теоретическую, формирующуюся разделом философии — гносеологией, и практическую, ориентированную на решение конкретных задач при проведении исследований. Теоретическая методология стремится к созданию модели идеального знания в заданных условиях (например, скорость света в вакууме). Практическая методология представляет собой набор приемов и способов для того, чтобы достичь желаемой практической цели и не погрешить против того, что мы считаем истинным знанием или чистотой эксперимента.

Обсудим теперь цели истории физики как науки.

• 1. Главной целью истории физики, как и всякой исторической науки, является накопление фактов, необходимое для того, чтобы, излагая их в исторической последовательности, можно было восстановить всю картину развития физики.
• 2. Полученная картина, будучи статической, не отражает полностью всех аспектов истории физических исследований. К ней необходимо добавить динамическую картину, т. е. изучение процесса развития физической науки. Такой подход необходим в первую очередь для того, чтобы понять, почему данный процесс шел так, а не иначе.
• 3. Наконец, еще одной целью истории физики является исследование закономерностей, следуя которым развивается эта наука. Другими словами, занимаясь историей науки, мы не можем пройти мимо исследования внутренней логики ее развития.

Все эти аспекты в той или иной мере будут освещаться при изложении материала. К ним, однако, следует добавить еще одну цель — педагогическую, может быть наиболее важную применительно к предмету, представленному в настоящем учебнике. Мы постараемся рассмотреть ее более подробно.

Первая из вышеназванных целей достаточно ясна, и мы будем в дальнейшем использовать ее как базовую.

Вторая цель требует определенного разъяснения. Процесс развития физики как науки и как формы общественного сознания невозможно понять без установления ее связи с общественным развитием. Становление общественного производства, борьба идеологий, религия, философия, экономика, политика, государственное устройство оказывают определяющее влияние на развитие науки вообще и физики в частности. Смена общественных формаций, технические революции, межэтнические, локальные, крупномасштабные и религиозные войны — все это сказывается на путях развития науки, «социальная компонента» в них растет.

В то же время и сама физика как наука едва ли не в первую очередь оказывает все более возрастающее воздействие на социальную жизнь общества. Конечно, прежде всего это касается материального уровня жизни человечества, который напрямую зависит от сделанных в области физики открытий и их успешного использования в технике, производстве и в быту. Хотя, на наш взгляд, это положение не требует примеров, отметим все-таки развитие электроники, освоение атомной энергии, радиофизику, космические исследования и т. д.

Очень важной оказывается связь физики с другими науками, в первую очередь естественными. Мы уже говорили о неотделимости физики от натурфилософии вплоть до XVII в. Физика институализировалась, т. е. приобрела черты самостоятельной науки, только в начале XIX в. Такие науки, как химия, биология, астрономия, старше физики. Границы между отдельными науками определяются внешними различиями и, прежде всего, различиями математического аппарата. В XVII столетии большинство ученых были одновременно физиками, химиками и астрономами. Такими были Р. Бойль, Э. Мариотт, Г. Кавендиш, А. Лавуазье, Г. Дэви и большинство ученых — их современников. В создании понятия атома в той или иной мере участвовали как физика, так и химия. Это, кстати, привело затем к возникновению новой науки — физической химии.

Очень тесной является связь физики с математикой. Математика стала интеллектуальным орудием физики. Более того, сейчас математическая стройность и интуитивная логика способны обеспечить дальнейший прогресс физики как науки. Здесь можно привести слова академика Л. Д. Фаддеева: «По моему мнению, чем больше физика использует математику, тем более фундаментальной она становится». Таким образом, только математика дает возможность точного научного выражения законов природы.

Многие успехи физики были связаны с успехами математики. И наоборот, часто именно постановка физических вопросов стимулировала прогресс математики. История физики знает немало подобных примеров. Так, именно успешное развитие механики привело И. Ньютона к необходимости разработки дифференциального и интегрального исчисления, используемого в качестве ее математического аппарата. С другой стороны, абстрактная математическая дисциплина — теория матриц на первый взгляд довольно неожиданно была использована В. Гейзенбергом для создания одного из вариантов квантовой механики. Этот процесс применения математического языка не менее актуален и в наше время. Современная физика вероятностных и хаотических процессов и явлений существует одновременно и как физическая, и как математическая дисциплина; обе ее ипостаси успешно развиваются, обогащая друг друга.

На наш взгляд, связь физики и техники можно подробно не обсуждать. Вопрос этот ясен, так как техника является, по сути дела, практической стороной применения физики, хотя часто развивает и собственные идеи. В разные времена взаимоотношения между физикой и техникой складывались по-разному, но они всегда обогащали друг друга. Все же нельзя не отметить, что именно благодаря бурному прогрессу техники в сфере обеспечении проведения научных экспериментов было сделано большинство физических открытий последнего времени.

В начале своего развития физика была наукой, которой занимались преимущественно философы. Это относится не только к Античности, когда разделить эти две науки было практически невозможно, но и к временам Р. Декарта, Г. Лейбница, И. Канта. Позднее уже такие физики, как Г. Гельмгольц, Э. Мах, А. Пуанкаре, стали выступать как философы. Их интересовала в первую очередь теория познания; именно она ближе всего к физике. Далеко не всегда они имели достаточную философскую подготовку, необходимую для успешного развития этой науки. Тем не менее стоит отметить, что успехи естествознания оказывали сильное воздействие на всех выдающихся философов. В качестве примера можно привести известный факт влияния достижений И. Ньютона на мировоззрение И. Канта.

Обсуждая связь физики и философии, нельзя не сказать об идеализме и материализме как о двух различных формах мировоззрения и различиях во взглядах на методологию науки. Долгое время было принято считать, что физики по своим взглядам всегда являлись материалистами. Однако история свидетельствует, что они нередко придерживались и идеалистических философских взглядов на природу физических явлений. Нельзя однозначно определить, помогало это им в творчестве или мешало. Ясно лишь одно: в лаборатории при разработке теории и в особенности при проведении опытов ученыефизики неизбежно становились материалистами, стремясь при этом доказать познаваемость мира. Что же касается принципов диалектики, то они, как мы увидим, проявляются и в процессе развития физики так же, как и в других областях жизни. Связь естественных наук и философии важна и применительно к современной физике. Например, физические основы квантовой механики имеют в своей основе различные философские и методологические подходы к природе явлений и до настоящего времени очень активно обсуждаются.

Обратимся теперь к третьей из указанных выше целей истории физики. Развитие физики является сложным процессом. Для истории этой науки важны не только внешние факторы, от которых зависит процесс развития физики. Не меньшую значимость представляет процесс ее собственного развития, «самодвижения», поиск закономерностей развития физики как науки.

Как утверждает диалектика, основой всякого развития являются противоречия, к числу которых относится борьба нового со старым. История развития физики как раз и дает многочисленные примеры возникновения и разрешения подобных противоречий. При этом наиболее часто в физике встречается противоречие между господствующей в данное время теорией и новыми экспериментально установленными фактами, которые физика непрерывно накапливает. Новые факты в физике играют превалирующую роль.

Четвертая из упомянутых выше целей истории физики представляется нам едва ли не самой важной, во всяком случае применительно к данному предмету. Изучение истории физики в педагогическом вузе не является самоцелью. Это делается для того, чтобы наилучшим образом подготовить студентов к профессиональной деятельности. Чем же будет полезна история физики для школьного учителя? Отвечая на этот вопрос, подчеркнем лишь некоторые факторы.

• • История физики, обогащенная достижениями методологии, позволяет шире раскрыть эволюцию фундаментальных физических идей.
• • История физики является важным источником педагогических идей, дающим возможность совершенствовать методы преподавания и обогащать его методику новыми подходами и решениями.
• • Нередко исторический путь сообщения знаний оказывается наиболее эффективным, особенно для школьников. Изучение истории науки показывает, что многие физические проблемы, которые сегодня превратились в учебные задачи, ранее решались учеными-исследователями порой посредством приложения значительных усилий.
• • Используя в преподавании историко-методологический подход, можно воспитать уважение и любовь учащихся к предмету и, что не менее важно, привить им естественно-научное мировоззрение. История и методология физики — мировоззренческий предмет. Он расширяет научный и одновременно культурно-просветительский кругозор в процессе взаимного общения преподавателей и обучаемых.

Как всякая самостоятельная наука, история физики использует специфические методы исследования, характерные только для нее.

• 1. Исследование источников. Все используемые источники делятся на первичные и вторичные. Первичными являются рукописи, письма, журналы наблюдений и т. п. Они имеют очень высокую историческую и практическую ценность, так как в них максимальным образом проявляется стиль работы и мышления исследователя, они мало подвержены конъюнктурным соображениям и в наибольшей степени отражают мнение автора. Вторичными источниками являются опубликованные работы. Они несут на себе отпечаток редактирования, могут содержать не принадлежащие автору утверждения и другие соображения, с которыми автор может быть не согласен. Именно поэтому столь важно изучение первичных источников.
• 2. Моделирование исторически значимых экспериментов. Этот метод часто дает удивительные результаты, показывающие, например, что тот или иной знаменитый опыт, проводимый без должной и тщательной подготовки, не обеспечивает точности, необходимой для установления искомого закона. Только мощный интеллект ученого, проводившего данный опыт, позволил этот закон установить.
• 3. Статистический метод в последнее время используется очень часто. Особенно успешно он применяется для анализа развития современной физики, которая очень расширилась и обрела новые направления.
• 4. Метод интервью, а также изучение воспоминаний тоже относятся к современной физике. Эти методы во многом сродни изучению первичных источников, так как они в наибольшей степени отражают мнение ученых, которые непосредственно проводили исследования.

Контрольные вопросы

• 1. Что составляет предмет истории физики?
• 2. Какие два подхода к изучению природы и общества сочетаются в истории физики?
• 3. Чем, на ваш взгляд, важен курс истории и методологии физики для будущего учителя?
• 4. На каких основополагающих принципах основано изучение истории физики? Охарактеризуйте 2−3 таких принципа.
• 5. Какой временной интервал охватывает история физики современности?
• 6. Какую роль в научном познании играют «строители-каменщики» и «архитекторы» науки?
• 7. Какие цели преследует история физики как наука?
• 8. Как проявляется двустороння связь: а) физики и истории развития общества; б) физики и математики; в) физики и техники; г) физики и философии? Приведите примеры.
• 9. Что относится к внешним и внутренним факторам развития науки?
• 10. Какие методы исследования используются в истории физики?

Задания для самостоятельной работы

• 1. Особенности истории физики как естественной науки. Ее связь с общей и теоретической физикой.
• 2. Особенности истории и методологии физики как гуманитарной науки. Ее связь с историей, философией, политологией, экономикой.
• 3. Взаимодействие физики и химии. Исторический аспект. Примеры.
• 4. Взаимодействие физики и математики. Примеры из истории обеих наук.
• 5. Современные проблемы взаимодействия физики и математики.
• 6. Некоторые исторические аспекты развития биологической физики.
• 7. Физика и науки о Земле. Их взаимодействие в прошлом и сегодня.
• 8. История астрономии как часть истории физики.
• 9. Философы-физики и физики-философы.
• 10. Методологические и философские проблемы физических исследований в разные периоды истории науки.
• 11. Роль физики в развитии человеческой цивилизации (экономические, социальные, экологические, моральные, эстетические аспекты).

Рекомендуемая литература

• 1. Милантьев, В. П. История и методология физики. — М.: РУДН, 2007.
• 2. Кравченко, А. Ф. История науки и техники. — Новосибирск: Издательство СО РАН, 2005.
• 3. Ильин, В. А. История физики. — М.: Академия, 2003.
• 4. Кудрявцев, П. С. Курс истории физики. — 2-е изд. — М.: Просвещение, 1982.
• 5. Кудрявцев, П. С. История физики: в 3 т. — М.: Просвещение, 1956—1971.
• 6. Спасский, Б. И. История физики: в 2 т. — М.: Высшая школа, 1977.
• 7. Дорфман, Я. Г. Всемирная история физики (с древнейших времен до конца XVIII в.). — М.: Наука, 1974.
• 8. Дорфман, Я. Г. Всемирная история физики (с начала XIX до середины XX вв.).— М.: Наука, 1979.
• 9. Хокинг, С. Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр / пер. с англ. Н. Я. Смородинской. — СПб.: Амфора, 2001.
• 10. Храмов, Ю. А. Физики. Биографический справочник. — М.: Наука, 1983.
• 11. Голин, Г. М. Классики физической науки. Хрестоматия / Г. М. Голин, С. Р. Филонович. — М.: Высшая школа, 1989.
• 12. Капица, С. П. Жизнь науки. — М.: ИД ТОНЧУ, 2008.
• 13. Витковски, Н. Сентиментальная история науки / пер. с фр. Д. Баюка. — М.: КоЛибри, 2007.
• 14. Степин, В. С. Философия науки. Общие проблемы: учебник для аспирантов и соискателей ученой степени кандидата наук. — М.: Гардарики, 2006.
• 15. Савинкина, Е. В. История химии. Элективный курс: учеб, пособие / Е. В. Савинкина, Г. П. Логинова, С. С. Плоткин,. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007.
• 16. Манкевич, Р. История математики. — М.: ЛомоносовЪ, 2011.
• 17. Раушенбах, В. В. Геометрия картины и зрительное восприятие. — СПб.: Азбука-классика, 2002.
• 18. История биологии: в 2 т. — М.: Наука, 1972—1975.
• 19. Гейзенберг, В. Физика и философия. Часть и целое. — М.: Наука, 1989.
• 20. Книжные серии ЖЗЛ: «Молодая гвардия», «Люди науки» (Просвещение), «Творцы науки и техники» (Знание).