Физическая картина мира как предмет изучения в школьном курсе физики

Содержание школьного курса физики составляют основы нау­ки-физики, которая представляет собой систему знаний об окру­жающем мире. Идеальную модель природы, включающую в себя об­щие понятия, принципы, гипотезы физики и характеризующую оп-

ределенный этап ее развития, называют физической картиной мира (ФКМ). В физической картине мира конкретизируются философ­ские представления о материи и движении, пространстве и време­ни, взаимосвязи и взаимодействии.

Физическая картина мира является частью естественнонаучной картины мира, представляющей собой высший уровень обобщения и систематизации всей совокупности естественнонаучных знаний которая в свою очередь является частью общенаучной картины мира.'

Важнейшими компонентами понятийной структуры ФКМ яв­ляются: исходные философские идеи и представления о материи, пространстве и времени, движении и взаимодействии; физические теории с присущими каждой из них характеристиками (система основополагающих постулатов и принципов, понятийный аппарат, эмпирический базис и т.д.), а также система фундаментальных физических идей и принципов, выражающих взаимосвязи между фи­зическими теориями (схема 4).

Схема 4

	ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА	МИРА
Исходные философ­ские идеи и понятия		Физические теории		Связи между теориями

В истории физики существовали три физические картины ми­ра: механическая (МКМ), электродинамическая (ЭДКМ), квантово-полевая (КПКМ). Каждая из них характеризуется определен­ными представлениями о материи, пространстве и времени, дви­жении и взаимодействии; в каждую из них входит определенная система теорий и законов. Смена картин мира - качественное, ко­ренное изменение этих представлений.

Характеристика физических картин мира, их становление и эволюция рассмотрены подробно в философской и методической литературе¹. В систематизированном виде эти сведения приведены в таблице 10.

Из таблицы видно, как изменялись представления о материи и движении, пространстве и времени, взаимодействии по мере раз­вития физической науки. При этом картины мира оказываются связанными между собой принципом соответствия: в настоящее время существует современная квантово-полевая картина мира, а механическая и электродинамическая картины входят в нее как частные предельные случаи, содержащие законы и теории, описы­вающие определенный круг физических явлений.

¹ См.: Ефимеико В.Ф. Методологические вопросы школьного курса физики. -М., 1976.

Таблица 10

Одним из структурных элементов ФКМ является физическая теория. Любое знание по своей природе системно, т.е. состоит из определенных элементов, связано с другими элементами знания, способно развиваться и т.д. Наивысшее выражение эта система находит в физической теории. Отличительным признаком физи­ческой теории является замкнутость систем понятий, исчерпы­вающе описывающих определенный круг явлений. Каждая тео­рия имеет специфические исходные понятия, определения, ак­сиомы, математический аппарат и идеи, связанные с интерпре­тацией теории.

Существуют разные классификации физических теорий; одной из общепринятых является классификация В.Гейзенберга, кото­рый выделил четыре большие системы понятий и аксиом, уже на­шедшие к тому времени свою окончательную форму: механика Ньютона, включая небесную механику; статистическая механика; электродинамика, включая волновую оптику и специальную тео­рию относительности; квантовая теория¹. Эти системы понятий и аксиом в дальнейшем стали называть теоретическими направле­ниями или фундаментальными физическими теориями. Данная классификация проведена в соответствии с формами движения материи и учитывает динамику развития физической науки, в ча­стности эволюцию ФКМ.

Иной подход к классификации физических теорий принят из­вестным философом и физиком, автором школьных учебников Г.Я.Мякишевым. Полагая, что одномерная классификация, т.е. классификация теорий по формам движения материи, не может вместить в себя все богатство и разнообразие физических теорий и их взаимосвязей, он проводит классификацию по двум призна­кам: формам движения материи и уровням глубины познания ок­ружающего мира². В соответствии с этим выделяются теории мак­роскопических систем и теории микроскопических объектов. Тео­рии процессов в макросистемах делятся на макроскопические (феноменологические) и микроскопические.

В число этих теорий входят как динамические, так и стати­стические теории, между которыми могут быть установлены связи.

Помимо фундаментальных существуют теории, обладающие меньшей степенью общности, так называемые частные теории или частные теоретические схемы, которые являются в историческом аспекте основой создания фундаментальных теорий. Так, класси­ческая механика создавалась как обобщение частных теорий сво­бодного падения, колебаний маятника, движения по наклонной

¹ См.: Гейзепберг В. Введение в единую полевую теорию элементарных частиц. -
М., 1968.-С. 8.

² См.: Мякишев Г.Я. Динамические и статистические закономерности в физике. -
М., 1973.

плоскости. В современной физике до создания квантовой механи­ки различные аспекты квантовомеханических процессов описы­вались и объяснялись с помощью таких частных теоретических схем, как боровская модель атома, теория фотоэффекта, теория излучения абсолютно черного тела и др. При построении фун­даментальной теории частные теории включаются в ее состав в качестве компонентов ее содержания. При этом частные теории сохраняют свою значимость в области явлений, для объяснения которых они были созданы. Именно на уровне частных теорий происходит эмпирическое обоснование и опытная проверка ос­новных положений фундаментальных теорий. И фундаменталь­ные, и частные теории имеют одинаковую структуру, которая включает основание, ядро, следствия и интерпретацию. В основа­ние теории входят эмпирический базис, т.е. экспериментальные факты, которые послужили отправной точкой развития теории; модель, т.е. тот идеализированный объект, для которого строит­ся теория; система понятий, включая физические величины и процедуры измерения последних. В ряде случаев в основание входят эмпирически установленные законы, например законы движения.

Таблица 11

Ядро теории представляет собой законы, описывающие измене­ние состояния материального объекта, законы сохранения, посту­латы и принципы, а также фундаментальные физические постоян­ные. К следствиям относятся выводное знание, применение законов, входящих в ядро теории, объяснение эмпирических фактов, пред­сказание нового. К интерпретации относятся истолкование основ­ных понятий и законов, а также осмысление границ применимости теории. В таблице 11 в качестве примера приведена структура классической механики.

Связи между физическими теориями многообразны и осуще­ствляются на разных уровнях. Они проявляются прежде всего в том, что существуют общие для всех теорий понятия (скорость, масса, импульс и др.), общие законы (закон сохранения энергии-импульса). Связи между теориями осуществляются и на уровне общих физических принципов, которые в настоящее время имеют статус методологических общенаучных принципов. К ним отно­сятся принципы соответствия, дополнительности, симметрии и причинности.

Принцип соответствия предполагает, что теории, «...справед­ливость которых установлена для той или иной предметной об­ласти, с появлением новых более общих теорий не устраняются как нечто ложное, но сохраняют свое значение для прежней об­ласти как предельная форма и частный случай новых теорий»¹. Принцип соответствия ввел Н. Бор при разработке теории атома и установлении связи между движением электронов в атоме и из­лучением. В дальнейшем он стал исходным при построении кван­товой механики. Однако действие принципа соответствия не ог­раничивается рамками классической и квантовой механики. Так, он связывает классическую и релятивистскую механику, волновую и геометрическую оптику, классическую и квантовые статистики и т.д. Более того, принцип соответствия «работает» и в математи­ке (геометрия Лобачевского и геометрия Евклида), и в биологии (хромосомная теория и теория Менделя). Таким образом, прин­цип соответствия, возникнув как полезный эвристический прием, превратился в один из методологических принципов современно­го естествознания.

Принцип дополнительности также был введен в науку Бором при обсуждении проблем интерпретации квантовой теории. Им дополнительность понималась как дополнительность волновых и корпускулярных представлений, что в пределах квантовой меха­ники является дополнительностью классических понятий и кван­тового отрицания этих понятий, причем само понятие «дополнительность» означает, что каждый из дополнительных аспектов теряет без другого физический смысл.

¹ Кузнецов И.В. Структура физической теории // Избранные труды по методологии физики. -М., 1975. -С. 170.

В дальнейшем Бор распространил этот принцип на световые яв­ления. Позже дополнительность стала пониматься достаточно ши­роко, в частности, в физике термодинамический и статистический методы описания макроскопических систем дополняют друг друга так же, как теории Максвелла, Друде-Лоренца и термодинамика, с разных точек зрения описывающие явление электропроводимости.

Принцип дополнительности, подобно принципу соответствия, является в настоящее время общенаучным принципом, поскольку ему подчиняются процессы любой природы. Так, рассмотрение биологических явлений возможно на клеточном, молекулярном уровнях, на уровне организма в целом. Знания, полученные на этих уровнях, взаимно дополняют друг друга и позволяют создать более полную картину явления.

Принцип симметрии также понимается как методологический общенаучный принцип познания. Понятие симметрии неразрывно связано с понятиями однородности и неоднородности, изотроп­ности и анизотропности, равномерности и неравномерности, од­нообразия и разнообразия, порядка и беспорядка, покоя и движе­ния, сохранения и изменения, равенства и неравенства и т.д. Наи­более заметную роль играет принцип симметрии в физике, по­скольку все физические законы пронизаны теми или иными свой­ствами симметрии, которые отражаются в них. С симметрией не­посредственно связаны законы сохранения. Согласно теореме Не-тер, из инвариантности действия относительно непрерывной од-нопараметрической группы преобразований следует существова­ние одного закона сохранения.

Содержание принципа причинности менялось с течением време­ни. В рамках механической картины мира сложилось представле­ние о динамической причинности, суть которой заключается в существовании однозначных связей между причиной и следстви­ем. В частности, состояние тела во время механического движения однозначно определяется его начальным состоянием и действую­щими силами.

С развитием науки на смену динамической причинности пришла вероятностная, означающая невозможность однозначного опреде­ления состояния системы по заданному начальному состоянию и закону его изменения. Однако, поскольку статистические законы были сформулированы на базе динамических, они считались ос­новными, а статистические - производными от них. Более того, считалось, что статистические законы обусловлены неполнотой наших знаний и что к вероятностному описанию прибегают тогда, когда трудно учесть все данные, все взаимодействия.

Возникновение и развитие квантовой теории привело к пере­смотру представлений о соотношении динамических и статисти­ческих законов и теорий. Сформировалось представление о том, что и те, и другие выражают объективно существующие причин­но-следственные связи, однако статистические теории и законы

глубже отражают эти связи и потому являются фундаментальны­ми по сравнению с динамическими. Главное отличие статистиче­ских законов от динамических состоит в «понимании внутренней структуры необходимости: в статистических законах она выступа­ет в диалектической связи со случайным, а в динамических - как абсолютная противоположность случайного»¹.

До недавнего времени считалось, что поведение систем, опи­сываемых динамическими законами, жестко детерминировано. Однако в реальных процессах всегда происходят случайные флуктуации, которые только при определенных условиях не иг­рают существенной роли. Поэтому случайность свойственна и простым динамическим системам. Таким образом, в современ­ной ФКМ статистические теории и законы наиболее полно от­ражают реальность. Ниже приведена детализированная схема структуры ФКМ (схема 5).

¹ Мякишев Г.Я. Динамические и статистические закономерности в физике. - М., 1973.-С. 181.