Физик. В. В. Шапкин

Физика - это наука об окружающей нас природе. Все, что есть вокруг нас, - это физические тела и физические явления. Познавая их суть, закономерности их взаимодействия и развития, человек преобразует природу, добывает и обрабатывает материалы, создает орудия и средства труда, получает предметы потребления, необходимые ему в процессе жизнедеятельности. Физика в современном ее понимании формировалась на протяжении многих тысячелетий.

Первой значительной попыткой систематизации всех физических знаний были труды Аристотеля. Заслугой этого древнегреческого философа было то, что впервые обоснование явлений природы строится на наблюдении и опыте. В то же время труды Аристотеля показывают, как непросто перейти от наблюдения явления к правильному его толкованию. Аристотелевское учение о движении, основанное на том, что движение есть результат внешних воздействий, использовалось в физике в течение полутора тысячелетий. Это сегодня каждому школьнику известно, что движение тела является таким же естественным состоянием, как и покой, если это тело не испытывает взаимодействий со стороны других тел. Потребовались гениальная наблюдательность и пытливость Г. Галилея, дар И. Ньютона, чтобы лаконично и точно сформулировать закон, вбирающий в себя тысячи эмпирических фактов, экспериментальных наблюдений.

Сотни и сотни лет пронеслись с тех пор, когда Архимед, живший в Сиракузах - центре эллинской культуры в Сицилии, предложил защитить город от римлян с помощью зеркал, фокусирующих лучи Солнца на кораблях врагов, чтобы сжечь их. Но тогда эта идея была утопией. За прошедший с тех пор период физики обнаружили, что свет может распространяться не только по очевидным законам линейной оптики. Они создали такие искусственные источники света - лазеры, лучи которых режут сверхтвердые сплавы, сшивают биологическую ткань, создают сверхгигантские давления, падая на поверхность обыкновенной воды. Семицветную радугу продолжили в обе стороны далеко за видимые красный и фиолетовый края, к инфракрасным лучам и радиоволнам, к ультрафиолетовым, рентгеновским и "жестким" гамма-квантам.

Столь же разительны успехи в развитии нашего знания о строении вещества. От представления древнегреческих философов о том, что все тела состоят из элементарных и неделимых "кирпичиков", физика прошла путь до понимания природы внутриядерных сил, до реального процесса сотворения материи.

Потому так непросто очертить границы королевства физики. Слишком многие отрасли знаний она охватывает. Физика - наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойств и строения материи и законы ее движения.

Принято считать, что так называемая новая физика началась с Галилея. Именно он первым ввел научный эксперимент в качестве метода установления закономерных связей. Впервые в основу физических исследований были положены мера и число. Основой физического познания стали научные факты, выявленные закономерности, теории.

Большую часть своего существования физическая наука не благодушно достраивает и украшает почти возведенный храм, а напряженно ищет новую конструкцию здания, пытается построить из разрозненных фактов новую концепцию, "примирить" обнаруженные противоречия. Каждая физическая теория является инструментом нового познания мира. И каждому такому инструменту отведено свое место в общем поступательном развитии физики.

От Ньютона до Максвелла строилось здание классической теории: отдельно для частиц, а отдельно для полей. И когда это здание к концу XIX столетия было уже почти полностью построено, пожить в нем толком, и не успели. Новые теории - квантовая механика и теория относительности - потребовали совсем нового комплекса знаний, возводимых на основе новых принципов. Этот период на рубеже XIX и XX веков называют кризисом в физике. Потребовалась ясная логика, и убедительная четкость ленинской мысли, отрезвившей умы философов-"идеалистов" и физиков, перепуганных "исчезающей" материей.

Сегодня еще ничто не раскачивает здание теории относительности. Но вот квантовой механике оказываются неподвластны самые интересные процессы, происходящие в микромире, - рождение и уничтожение частиц, их взаимодействие с полем. "Проквантовать", то есть описать поле - систему с бесконечным числом степеней свободы - с учетом дискретных свойств частиц, квантовая механика не может. На наших глазах, в 60 - 70-х годах нашего столетия, зарождается новое здание физики - квантовая теория поля. Наиболее мощные толчки в развитии теории наблюдаются тогда, когда удается найти неожиданные экспериментальные факты, которые противоречат установившимся взглядам.

Особенность физики как науки заключается не только в высокой практической значимости научных результатов отдельных ее разделов. Общепризнано, что физика послужила основой философии, ее главной составляющей - диалектического материализма. И сегодня физика остается важной мировоззренческой наукой, формирующей научный взгляд на природу, мировоззрение людей в форме физической картины мира.

Поэтому знание физики необходимо для получения общего среднего, профессионально-технического, среднего специального и высшего образования.

Успех в физике может быть достигнут только в коллективе

Роль физики особенно важна потому, что она "переконструирует" обыденное сознание, формируемое всем опытом нашей жизни, в научное. Яркой иллюстрацией этого являются сегодня хорошо известные даже младшему школьнику факты, что Земля - круглая, что она вращается вокруг Солнца. А четыре столетия назад Джордано Бруно, развивший гелиоцентрическую теорию Н. Коперника, был, как еретик сожжен на костре, а несколько позднее Галилео Галилей предан публичному осуждению.

Физика намечает путь к пониманию единства, симметрии и динамики явлений, путь к пониманию красоты Вселенной, к использованию законов природы на благо человечества.

Идеи проверяются экспериментом

Суть работы физика - проверка логических заключений экспериментом. Идеи проверяются экспериментом, экспериментальные результаты подсказывают новые идеи.

Можно назвать целую плеяду замечательных ученых нашей страны и зарубежных стран, для которых физика была не просто профессией, она была для них жизнью: Г. Галилей, И. Ньютон, М. В. Ломоносов, М. Фарадей, Дж. Максвелл, Э. Резерфорд, Дж. Томсон, П. Н. Лебедев, Н. Бор, А. Эйнштейн, А. Ф. Иоффе, И. В. Курчатов, Л. Д. Ландау, П. Л. Капица и многие другие, результатом творческого гения которых стали великие открытия в физике.

Чрезвычайная широта и разнообразие объектов неживой природы и физических явлений, которые исследует физик, привели постепенно к специализации в рамках широкой специальности "физик". По объектам, которые исследуются, выделяются космическая физика и физика микромира, физика металлов и физика диэлектриков, механика и термодинамика, оптика и электроника, физика плазмы и физика сверхвысокого давления и др. По используемым методам исследования выделяется экспериментальная и теоретическая физика.

Физик-экспериментатор исследует соотношение между физическими величинами, изучает и открывает законы природы, ставя специальные опыты и пользуясь экспериментальными установками. Он не только наблюдает реальные, протекающие в природе явления, но и сам моделирует их, проводит специальный эксперимент для выяснения того или иного научного факта, той или иной стороны многообразного физического явления. Ряд таких физических экспериментов, послуживших основой открытий и формирования важных физических законов, получили название "великих" экспериментов в физике. Это, например, опыты Галилея, доказавшие эквивалентность инерционной и гравитационной массы тела, опыт русского физика А. Г. Столетова по измерению давления солнечных лучей, опыт Джоуля, опыт Юнга по интерференции света, эксперимент Физо и Фуко по измерению скорости света, опыт Майкельсона и Морли с попыткой установить различные скорости света, распространяющегося в направлении движения Земли и перпендикулярно ему, измерение Кулоном силы взаимодействия электрических зарядов, опыты Фарадея по электромагнетизму, эксперименты П. Л. Капицы по обнаружению сверхтекучести жидкого гелия и многие другие.

Физик-теоретик тоже в ряде случаев ведет эксперимент, но эксперимент мысленный. Его основным орудием является математика, логика и... интуиция. Есть много примеров открытий в физике, созданных "на кончике пера". Но все они, конечно, являются результатом тщательного теоретического анализа имеющихся экспериментальных данных, особенно тех фактов, которые противоречат установленным ранее закономерностям.

Каков же труд современного физика-экспериментатора, каковы основные черты его профессиональной деятельности? Физика - это, прежде всего постановка вопросов, выявление противоречий, решение задач. Даже перед выдающимся физиком нельзя поставить задачу "Открой такое-то явление, установи такой-то закон". Их появление в науке, как правило, является результатом пытливого поиска решения какого-то незначительного рассогласования между твердо установленным экспериментальным фактом и теоретически выводимым следствием. Поэтому фундаментом физики является экспериментальный факт, корректно поставленный физический опыт. Это и определяет первые требования к физику-экспериментатору - вкус к эксперименту, требовательность к себе в получении достоверных и точных экспериментальных данных.

Хорошо сказал о работе физиков-экспериментаторов академик А. Н. Скринский: "У экспериментатора две радости, две удачи: радость надежды в самом начале, когда он ставит работу, и радость ее результата - в самом конце. А между ними - полоса сплошных трудностей, крупных и малых: поломки, недоразумения, застрявший в вакуумной камере волосок, имитирующий самые невероятные физические явления, невидимая трещина в сварном шве, способная пропустить в накопитель тот миллиграмм воздуха, от которого давление подскочит в миллионы раз... Как сберечь силы? Не сойти с дистанции длиною в месяцы и годы - это тоже входит в сложное понятие "экспериментатор"..."

А эксперименты, которые проводят сегодня физики, по широте диапазона труднообозримы: от работы на сверхсильном электронном микроскопе при изучении тонкой микроструктуры материи до проверки некоторых космологических гипотез путем запуска межпланетных космических кораблей и проведения соответствующих экспериментов на борту космического корабля.

При этом физику-экспериментатору нередко приходится самому быть и химиком, например, при подготовке образцов исследуемого материала, и механиком - при сборке уникальной экспериментальной установки, и электронщиком, когда он "выжимает" максимальную чувствительность измерительного комплекса, и конечно, математиком, когда он обрабатывает массив экспериментальных данных.

Нужны ли какие-то особые способности для занятий экспериментальной физикой? На наш взгляд, каких-то особых специфических качеств человека эта профессия не требует. Важно только постоянное развитие интереса к анализу физических проблем и задач, к опытной, экспериментальной проверке гипотез, к максимальной точности измерений.

Хорошо, когда будущий физик обладает наблюдательностью, аналитическим мышлением, критически относится к полученным результатам и выводам, любит работать с приборами. Ему необходимы умение найти оригинальный вариант эксперимента или решения теоретической задачи, для чего требуется немало настойчивости, терпения, способности упорно преодолевать трудности. В то же время все эти качества могут быть развиты в процессе школьной и вузовской подготовки, в процессе самого физического исследования.

Работа физика-исследователя не всегда может быть строго регламентирована, в первую очередь им самим. Интерес к тому, как идет эксперимент, каков его итог, желание, во что бы то ни стало запустить установку в действие влияют на ритм и регламент работы, принося при полной физической усталости высокое эмоциональное удовлетворение, когда достигнут хоть маленький, но успех. Но его добиваются иногда годами упорного труда.

Физикой увлекаются, как правило, не ради освоения профессии, а из любознательности, желания познать законы природы, желания использовать их на практике.

Сегодня в физике одиночки практически уже не работают. Успех, может быть, достигнут только в научном коллективе. И здесь, исходя из психологических характеристик отдельных исполнителей, выделяются физики-прибористы, физики - генераторы идей, физики-расчетчики. Все они выполняют единую задачу, досконально знают всю логику и технологию эксперимента, радуются общим успехам, болеют за временные неудачи каждого. От умения подчинить свою волю достижению общей цели, от готовности помочь своему товарищу по работе, от способности отдать максимум того, что ты можешь, зависит успех коллективной работы.

Первые представления о физике как научном взгляде на окружающую неживую природу складывается у человека в процессе обучения в школе. Историзм изложения физики, широкое использование демонстраций, проведение самими учащимися лабораторно-практических работ формируют у них представление не только о физических закономерностях, но и о методах физического исследования.

Молодые люди, выбирающие для себя специальность физика, должны в школе особенно упорно заниматься физикой, математикой, основами информатики и вычислительной техники, овладевать иностранным языком, черчением и рисованием.

Готовят физиков-экспериментаторов факультеты крупных политехнических вузов, а также физические факультеты университетов.