Акимов А. Е., академик РАЕН, директор Международного института теоретической и прикладной физики РАЕН

ВВЕДЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ
ФИЗИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ
В ШКОЛЬНЫЙ КУРС
ФИЗИКИ

(Культурное пространство человечества и духовный мир педагога.
Материалы Российской научно-практической конференции
4-8 ноября 2001 года. - М., 2002. С. 43-46)

Введение в школьный курс физики основ современных физических представлений диктуется не только необходимостью расширения кругозора школьников, но и необходимостью формирования у них правильного мировоззрения, правильного знания современной картины мира. Особенно важно понимание того, что свод получаемых школьниками научных сведений не является окончательным рубежом знаний, что наука вечна в своём развитии. Важно подчеркнуть два основополагающих фактора, диктующих необходимость постоянного развития науки. Во-первых, это интерес людей ко все более глубокому, ко всё более точному пониманию Природы в широком смысле этого слова. Во-вторых, это важная прагматическая задача: открывая новые законы природы, человечество получает возможность на их основе создавать новые технологии, обеспечивая тем самым прогресс в развитии цивилизации. Нужно пояснить это на конкретных примерах XX столетия. Именно развитие атомной и ядерной физики сделали возможным создание атомной энергетики. Развитие теории ракетного движения сделали возможным прорыв человечества в космос. Прогресс в физике полупроводниковых материалов сделал возможным появление спутниковых систем передачи информации, обеспечивающих, в частности, работу глобального (всемирного) радио- и телевещания, персональной телефонной связи и Интернета.

Первое обращение к современным физическим представлениям целесообразно осуществить при изложении теоретических представлений Ньютона в разделе «Механика». Сначала необходимо обратить внимание школьников на то, что механика Ньютона не была в физике первой и не является последней теорией. Механике Ньютона предшествовала механика Галилея, в которой был сформулирован принцип относительности равномерного прямолинейного движения в последствии заимствованный Ньютоном. В механике Галилея движение анализировалось в пространстве событий, которое описывалось геометрией Эвклида, - движение рассматривалось в одномерном, двумерном или трехмерном пространствах. Эти представления также были заимствованы Ньютоном.

Однако Ньютон расширил научные основы механики Галилея, дополнив её тремя законами. Это и привело к формулировке новой механики, Далее учитель физики излагает три закона Ньютона в соответствии со стандартным учебником. Подводя итог изложению механики Ньютона надо обратить внимание на ряд важных дополнительных факторов.

Во-первых, обратим внимание на то, что использование геометрии Эвклида является одним из принципов, который наряду с рядом других условий определяет область применимости механики Ньютона. Отсутствие в этой геометрии угловых параметров приводит к выводу, что, вообще говоря, механика Ньютона не включает в область её применения вращательных движений. В ряде частных случаев в рамках механики Ньютона удаётся описать вращательное движение, например, описать поведение гироскопов, но это удаётся сделать ценой очень сложных преобразований. Для описание механических систем с вращением необходимо использовать другую геометрию. Но в этом случае это уже будет другая механика, а не механика Ньютона. Это будет другая механика, механика базирующаяся на других принципах, базирующаяся на другой геометрии.

Во-вторых, необходимо подчеркнуть, что первый закон Ньютона, - закон инерции справедлив только при выполнении третьего закона, - закона сохранения энергии. Экспериментально было показано, что при столкновении вращающихся гироскопов, двигающихся навстречу друг другу, т.е. при их центральном ударе, закон сохранения количества движения (mv) выполняется. Но, если гироскопы двигаются под углом друг к другу, то сумма их количества движения до удара и после удара не равны друг другу. Но, если для систем с вращением в общем случае закон сохранения не выполняется, то, следовательно, не может быть справедливым первый закон Ньютона.

Для рассматриваемого случая системы с вращением теория не запрещает возможность движения за счёт внутренних сил физического объекта. Здесь было бы очень важно продемонстрировать учащимся действующий макет такого устройства. Появление с середины тридцатых годов XX века устройств, с вращающимися по определённому закону узлами, без привода на колёса и двигающихся за счет внутренних сил (В.Н.Толчин, 1936 г., Пермь), необоснованно использовалось рядом авторов как экспериментальное доказательство неправильности теории Ньютона. В действительности, работа этих устройств не опровергала правильность теории Ньютона, которая подтверждена за 300 лет многочисленными и разнообразными экспериментами и не менее многочисленными ее техническими применениями, а лишь доказывала, что есть механика, лежащая вне области применимости механики Ньютона.

Такая механика, учитывающая наряду с поступательным движением ещё и вращение, была создана в России академиком РАЕН Г.И. Шиповым и была им названа «Торсионная механика».

Ещё одним объектом внимания должна быть тема инерции в механике. После изложения материала по этой теме из школьного учебника надо отметить следующее. Стандартные теории, например, механика Ньютона, не может объяснить природу инерции, не может объяснить, какие физические процессы приводят к такому явлению, как инерция. Более того, в рамках стандартных теорий не удаётся найти ответ на вопрос: силы инерции являются по отношению к физическому объекту силами внутренними или внешними. Далее нужно обратить внимание школьников на то, что было акцентировано внимание на этих сложных вопросах для того, чтобы было понятно, что даже в таких устоявшихся и проверенных практикой теориях, как теория Ньютона, есть очевидные и известные всем явления, которые не имеют в таких теориях объяснения. Также нужно отметить, что объяснение природы инерции было найдено в рамках торсионной механики, и что эти вопросы будут обсуждены позже. После изложения теории тяготения Ньютона в соответствии со школьным учебником важно сделать ряд уточняющих замечаний. Теория тяготения Ньютона, как и последующая, более общая теория относительности А. Эйнштейна, созданы в условиях, когда до сего дня физике не известно, что такое масса. О массе говорится как о некоем свойстве физических объектов, наличие которого определяет существование определенных явлений.

Теория тяготения Ньютона была построена на основании ряда исходных предпосылок. 1. Физическое пространство, в котором наблюдаются силы тяготения (силы взаимного притяжения, например, между планетами), описывается геометрией Эвклида с прямоугольной системой координат. 2. Физическое пространство между телами заполняется специфической материей, которую Ньютон назвал эфиром. Через эту специфическую материю и благодаря ей передаются гравитационные воздействия от одного тела к другому. Ньютон наделил эфир свойством идеально упругого тела, благодаря чему гравитационные взаимодействия осуществляются мгновенно.

Принимая во внимание, что гравитационное поле тел искривляет пространство, Эйнштейн для построения своей теории гравитации использовал геометрию Римана, более общую, чем геометрия Эвклида, использованная в теории гравитации Ньютона.

Материя физического пространства - переносчик гравитационных взаимодействий в теории гравитации Эйнштейна была наделена свойствами, отличающимися от свойств эфира в теории гравитации Ньютона. Поэтому эту специфическую материю стали называть физическим вакуумом. 3. Было постулировано, что гравитационные взаимодействия передаются со скоростью, равной скорости света. Обобщение исходных принципов теории гравитации Ньютона, осуществленное Эйнштейном, привело к созданию теории гравитации, которая не отменила теорию Ньютона, а лишь сделала теорию Ньютона частным случаем теории Эйнштейна.

Необходимо акцентировать внимание школьников на этом обстоятельстве. За редким исключением естественным путём развития науки является создание новых теорий как обобщение существующих, что исключает отказ от проверенных практикой теорий. Одним из немногих исключений из этого правила является отказ от теории флогистона, как особой материи, переносящей тепло, в результате создания термодинамики.

Важно обратить внимание школьников на то, что введение в физику понятия физического вакуума существенно изменило многие физические представления. Эта проблема будет обсуждена позже.

При изложении теории электричества после изложения закона Кулона целесообразно подчеркнуть, что, как и в теории гравитации, в теории электричества также есть глубоко развитые научные представления о поведении зарядов и порождаемых ими электромагнитных полях, но наука до сих пор не знает, что такое заряд, какова его природа.

Известна старая притча среди преподавателей физики ВУЗов, когда нерадивый студент во время экзамена по теории электричества не мог ответить на большинство вопросов. Тогда, принимавший экзамен профессор, спросил его: «Скажите, а что такое заряд?» Думая, что его спрашивают о чем-то очень простом, но не зная, что ответить, студент сказал: «Когда я вчера готовился к экзамену, я знал что такое заряд, а по дороге на экзамен я забыл что это такое». «Как жаль, - сказал профессор, - никто этого не знает, а вы забыли и тем самым лишили науку столь ценных знаний. Ставлю вам двойку».

Весь материал физики, как и любых других естественных наук, представлен так, что после его изучения у школьников должно сформироваться твердое убеждение, что науке известно всё и никаких проблем для дальнейшего изучения уже не существует. Естественные науки в школьной интерпретации беспроблемны. В дополнении к тому, что уже было сказано, отметим ещё один важный факт, говорящий о том, что наука знает много, но при этом даже в массиве, казалось бы, хорошо изученного есть белые пятна неизведанного.

После изложения по школьному учебнику раздела, посвященного электрическим цепям, нужно вернуться к условию замкнутости электрической цепи, как условию существования электрического тока. При этом надо обратить внимание на то, что из этого условия вытекает, что, если есть источник электрического тока и устройство потребления, то они требуют взаимного соединения только парой проводов, иначе условие замкнутости цепи выполнить нельзя. Далее нужно рассказать об устройстве, разработанном С.В. Авраменко, которое описано мной в книге «Облик физики XXI века». Это устройство позволяет передавать электроэнергию по одному проводу. Такое устройство в течение ряда лет демонстрировалось на ВДНХ, но строгого научного объяснения его работы до сих пор не дано.