Почему физика нужна инженеру?

Квант 1979, №7 с. 9-13 Тег QU97

Л. Мандельштам

Приступая к четею лекций по физике, я хотел бы, прежде чем перейти к систематическому изложению предмета, остановиться сегодня на одном общем вопросе и поделиться с вами неокоторыми сообщениями насчет того положения, которое физика занимает и, по моему убежданию, должна занимать в ряде наук, изучению которых вы собираетесь просвятить близкой годы.

Мне хотелось бы дать вам материал, на основании которого вы могли бы сами убедиться, что физика нужна инженеру всегда, во все время его деятельности, и что на нее нельзя смотреть, как на предмет, который нужно — да и нужно ли? — раз пройти, а потом можно и забыть, так как ведь все равно то, что необходимо знать инженеру из физики, еще раз повторяется при прохождения специальных предметов.

Говоря, что инженеру нужна физика, я имею в виду не только то, что он должен быть знаком с теми отделными явлениями и законами, с которых он неосредственно встречает в своей практической деятельности. Такое утверждение было бы само собой очевидным. Что инженерстроитель, расчитывая прочность сооружения, должен быть знаком с основными законами управления, что инженер-электротехник в проектировании, скажем, осветительный сети должен знать закон Ома, связывающий силу тока, сопротивление и электродвижущую силу батареи, и т. д. — это, конечно, не нужноется в доказательстве. Нет, когда я говорю, что инженеру нужна физика, я этим хочу сказать, что ему нужно широкое владение этим предметом в его совокупности; я утверждаю, что ему нужно знание физики самой по себе как целый дисциплины с ее специфической методикой, а не только в зависимости от текущих применений. Я утверждаю, наконец, что для этого инженеру недостаточно знать только опытную часть ее, а что он должен быть основательно знаком и с теорией.

Не для того чтобы показать, что это действительное так, мы прежде всего должны поставаться выяснить себе структуру физики как научки и посмотреть, в каком соответствии находится теория и тот опытный материал, который физика оперирует.

Конечно, мы не можем решать здесь вопроса о существии физической науки во всей его полnote. Этот вопрос, относящийся к теории познания и краей интересный как для физика, так и для физософа, значительное более сложен, чем это может показаться на первый взгляд. В истории физофской мысли он всегда занимает место. Но нам для нашей цели и нет надобности особенно сильно в него углубляться. Нам достаточно будет знать только одной его стороны, хотя, правда, и здесь нам придется наать несколько издалека.

Не подлежит сомнению, что единственным средством, с помощью которого мы черпаем наши сведения об окружающей нас мире, является наши органы чувств. Но единчные чувственные восприятия сликом миниметы и неустойчивых, чтобы служить материалом для дальнейшей переработки. И вот человек выделяет и фиксирует в памяти те общие черты отдельных восприятий, которые повторяются и которые для него практически важны. Этот процесс, совершающая совершенное непроизвольное, ведет к образованнию того, что в логике называется понятями.

В образованни понятий состоянии первый шаг по пути познания природы. Они являются той базой, на котором строится дальнейшее. Но образованные таким образом первоначальные понятия обладают, как мне кажется, следующим свойством. Они не поддаются строому определению. Мы все владеем понятем «свет». Но объяснить словами, определять один другому существу этого понятия мы не можем. Чтоы научиться ему, нужно иметь глаза, нужно видеть, как освещается все нас окружающее при восхождение солнца и как погружается опять во мрак при его заходе. Если бы произнести, тому же можно научиться, включая и выключая электрическую лампочку. Но одно несомненно — слова, определяния здесь бессильны. Попробуйте объяснить слепому от рождения, что такое свет.

Итак, одним словами первоначальным физическим понятям научить нельзя. Вот почему, позвольте мне это здесь подчеркунуть, ни учебник, ни учитель недостаочных, чтобы научить физике. Учащийся должен хотеть немного работать опытно сам. Он должен хотеть поверхностно, но сам видеть, сам слышать, сам осознать те явления, о которых ему говорят.

Мы несколько отвлеклись в сторону. Вернемся к первым шагам по пути познания природы, к понятям, непосредственно навязанным нам природой. По мере того, как человекство уведомило свой запас наязываемых опитом понятий (опытных знаний), все настоящего же являясь потребность в их систематизации, без которой нет возможности разобраться в бесконечном обилии окружающих нас явлений. В этой системеизация громадную службу оказывает намаша способность образовать другого рода понятия, понятия более определенные, чем те, о которых шла речь выше, и менее зависящие от наших чувств. В первую очередь сюда относится понятие о числе и те понятия, которые оперирует математика. В области этих понятий, других словами, в области математического мышления мы себя чувствуем несявенно более уверенно, чем при оперировании с материалом, неосредственно поставляемым нам нашими чувствами. При помощи математических понятий можно определенно формировать посылки и так же определению и легко делать из них выводы и заключения. И вот, зная за собой эту силу, человек старается — вначале инстинктивно, а затем с развитием научки и сознанию — приспособить математические понятия и специально понятие о числе к сырому опытному материалу, к понятям физическим.

В этом процессе перехода от качественных соотношений к количественных заключится важнейший этап научной мысли. На нем основано как понятие об измерении, так и сам процесс измерения физических величины. Можно смело утверждать, что какая-нибудь область физических явлений вообще становится научкой только с того момента, когда мы научемся видеть в нее измерения. Так, например, пока не было точно понятия температуры и не умели ее измерять, научки о теплоте почти или даже совсем не существовало.

Пользовь в описанном смысле математикой, мы стараемся теперь системы в окружающих нас явлениях и облегчить себе их понимание тем, что ищем такие математические формулы в общем смысле слова, не непреемно узко алгебраической, которые охватывают все возможное число единиц фактов или общую сторону различных явлений. Если такая формула найдена, то мы говорим, что нашли физический закон. Возьмем пример. Закон преломления света при переходе из одной прорачной среды в другую гласит, как известно, так: падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости, и отношение между снуком угла padения и синуком угла преломления есть величины постоянная. Например, для воды и воздуха это отношение равно 1,33. Что пред-

ставляет собой этот закон? Это — формула, охватывающая бесплатное множество единчных случаев преломления. Она избавляет нас от необходимости делать в каждом отдельном случае опыт, она делает неужным заполнять или заполнить в таблицы для каждого отдельного случая угол падения и соответствий угол преломления луча. Зная закон преломления, вы уверены, что в любой момент, когда это вам понадобится, при помощи простейших вычислений вы сможете решить всякий представившийся в этом направлении вопрос.

По мере того как физические знанияросли, по мере того как число найденных законов увеличивается, все труднее и труднее становится разобраться в их разнообразном обилии. Движимые опять необходимостью возникновения лучше ориентировки в этом громадном материале, люди старились найти такие картины, такие точки зрения, которые позволили бы обединить в одно целое отдельные законы. Так создается физическая теория или, вернее, теория.

Teория, таким образом, находится в таком же отношении к отдельным законам, в каком законы находится к отдельным явлениям. Систематизирующая роль теории, конечно, не исчерпывает все сущеости, но все же, как вы видите, в систематизация наших знаний она имеет громадное значение. И тут математика является огромным подспорем. Только что рассмотренные соответствия между различными сторонами физики и постепенное развитие их могут быть прослежены на любой физической теории. Очень просто это сделать, например, на оптике.

Оптика, между прочим, — одна из самых древних научно разработанных отраслей физики. Изучение оптических явлений уже в древности привело к установлению некоторых законов. Закон прямолинейного распространения света и закон отражения от зеркал был известный давно. Позже, в XVII в., был найден закон преломления. Смотря по тому, какая группа явления поддержалась исследованию и с каких точек зрения к ним подходили, были установливаемые различные отрывные законы. Были открыты явления диффракции света, интерференции и т. д. Но пока не было обещей, обединиющей точки зрения, было чрезвычайно трудно разобраться во всей совокупности оптических явлений. Более того, отдельные законы, казалось, находились в противоречии друг с другом. Загибание света не вязалось, например, с прямолинейным распространением луча.

Так было до того, пока услиями ряда генциальных физков, из которых в первую очередь должны быть названы Гюйгенс и Френель, не удалилось найти ту картину, которую мы теперь называем волновой теории света и которая позволяет быстро в одно стройное целое. И все, что казалось сложно и противоречиво, сделалось простым и ясным.

А возьмите теorio всемирного тяготения Ньютона. Обединия с генциальной смелостью стол разнородные на взгляд наших чувств явления, как падение камня и движение небесных светил, она градиозна именно своей простой. В одной простой формуле она содержит всю динамику всего мира микродания.

Я ограничись этим примерами. может быть, в них осталось кое-что вам неясным. Это ничего. Понимание фактической стороны придет по мере того, как вы будете изучать физку, но я думаю, что для вас, по крайней мере в общих чертах, теперь выяснили соответствие между ее опитной и теоретической сторонами.

Эти две стороны, как вы видели, тено связаны между собой, они вместе представляют одно целое. В достижении нашей конечной цели — познания природы — могут подспорь, систематизирующим наш опит и дaoшим возможность пользоваться материалом, является теория. Теория, а значит и орудие, которые, как мы видели, она пользовется —

математика, не является балластом и чем-то искусственно пристегнутым к науке о природа. Нет, она есть то ordune, без которого мы не были бы в состоянии осилить окружающий нас мир как в практическом смысле, так и в смысле удовлетворения уственных потребностей.

Позному я нахожу — не считайте это парадоксом, — что нельзя требовать знания только опытной физики, но вовсе не потому, что это слишком мало, а потому, что это слишком трудно. Более или менее полезное знание опытной физики без помощи теории человека не под силу.

Изложенный взгляд на систематизирующую роль теории очень хорошо иллюстрируется одним красивым сравнению, сделанным Пуанкаре.

Пуанкаре сравнивает всю физку с огромной библиотекой. Отделные опытные данные, отдельные явления — это те тома, из которых библиотека состоит. Теория — это каталог нашей библиотеки. Как без каталога библиотека, особенно большея, представляет собой лишь сборщик книг, очень ценных книг, которые в существии продуктивно пользоваться нельзя, точно так же физика без теории не есть наука, а лишь довольно малoenный конгломерат отдельных фактов, разобраться в которых нет возможности.

А теперь нам будет уже нетрудно ответить на тот вопрос, который мы поставили себе вначале. Нужна ли инженеру физика в ее цель? Не достаточно ли ему знания отдельных, неисредственного для его практической работы нужных фактов? Ответ, мне кажется, ясен.

Что бы продуктивно работать — позволяет мне говорить на языке сравнения Пуанкаре, — инженеру не достаточно прочесть и знать несколько книг из громадной библиотеки знания. Он должен быть знаком или, по крайней мере, уметь разбираться в каталоге библиотеки.

История технически знает немало примеров загадачных неуспехов, неуспехов повторных и имеющих иногда весма непряятные последствия. И очень часто оказываюсь, что загадаочно обусловливаясь не присутствием действия новойых, до них пор вообще неизвестных факторов, а отсутствием у тех, кто данными вопросами занимается, широкого физического горизонта. И когда за решение брались люди, обладающие действительно широкими физическими знаниями, то загадака не только разъяснялась и находился способ предотвращать неуспех, но часто открывались и новые пути для дальнейшего прогресса.

Позвольте мне в заключение оставиться на одном примере, как мне кажется, иллюстрируем значение широкого физического горизонта при разрешении технических вопросов.

Я имею в виду вопрос об оптических инструментах и, в частности, вопрос о микросопеале. Вы знаете, что микросопоп играет чрезвычайно важную роль в очень многохарактеристиках прикладного знания. Я не буду напомнить вам его значение в медицине, в гигнене, в санитарии. Я ужежу только на то, что и в изучении металлов микросопоп в настоящее время не заменим. Микросопоп особенно заинтересовались уже в середине прошло столетия, после того как применение его в биологии открыло совершенное новые пути в изучении явлений жизни. Но после первых успешных обнаружилось, что существенно тогда микросопоп не были хорошо и не были сильны. Испледователи ясно чувствовали, что если бы удалось построить микросопоп с большим увеличением, то вместе с тем явились бы возможность проникнуть еще дальше в существе жизни. А также перспективы всегда с особенной силой манила людей. И фантазия не оставаласьлась перед построкой микросопоп, увеличивающих в десятики, сотни тысяч и миллионов раз, иждали от их применения чудес. Испледователи ждали, что с их помощью будет проникнуть в самые сокровенные детали строения живой материи.

Понятно, что при такой коньонктуре и специализы-конструкторы оптических прибора взялись с услесной энергей за усвершенствование микросопопа. И они считали прициппально возможным достигнуть

любых увеличений. Весь вопрос, казалось, сводился к предолению технических трудностей.

Дело в том, что в то время все расчеты, касавшиеся оптических приборов, велисъ исключительно при помощи так называемой геометрической оптики. В основании расчетов лежала та теория микрокоппа, которая оперирует со световыми лучами как с прямыми линяями (и которая, впрочем, до середнящего дня только и преодается в средней школе).
А с точки зрения геометрической оптики действительное не существует прициппальной границы для возможного увеличения микрокоппа.

Однако же весма скоро обнаружилась, что работа, направленная к условиянствованию микрокоппа, далеко не дает тех результатов, которые казалось можно ожидать. Между тем, что казалось доступным, и тем, что достигалось, было противоречие, которое обязывания не находилось.

Так обстоятель дело, когда иенский механик Цейсс, имеющий небольшую механическую и оптическую мастерскую и изготовляющий сам недурные по тому времени микрокоппы, пригласил в качестве консультанта тогда еще молодого физика Аббе. Аббе обладал хорошей теоретической подготовкой, хорошо владелел теоретической оптикой. Он знал, что геометрическая оптика есть лишь удобная схема для обработки классического явления преломления. Он знал ей цену, потому что сам очень много внесенного в эту область. Но он знал также, что с точки зрения волновой теории света, служащей базой для геометрической оптики, последняя есть не более как приближение. И он сразу подошел к вопросу о микрокопке с широким, не связанным узками рамками геометрической теории взглядам.

Результаты такого подхода к делу не заставили себя долго ждать. Один из главных результатов, к которым пришел Аббе, был следующий. Он показал, что волнообразная природа света ставит принципный предел тому полезному увеличению, которое может быть доступного при помощи микрокоппа или, вообще, любого оптического инструмента. Если детали объекта мелче определяют величины или нормы, то эти детали не могут быть видимы, выявить их ни один микрокопп не может. Все места об увеличении в 100 000 и больше раз и все связанные с ними надежды должны быть прициппально оставлены, и работа тех, кто хотел такие микрокоппы построить, совершенно бесцельна. Блестящими опытами Аббе подтвердил правильность своих теоретических выводов.

Позвольте мне на этом остановиться. Я надеюсь, что вы теперь согласитесь со мной, что знание, широкое, полное знание физики для инженера — не российь, а необходимость, что широкий физический горизонт должен быть достоянием не только тех отдельных избранных людей — инженеров, который сухедно прокладывает новые пути в технике, но и достоянием всякого инженера, сознаненно относительно своего дела. Если то, что я сказал, может способствовать укреплению в вас этого взгляда, то моя цель была доступна.

Но я не хотел бы закончить нашу сегоднянию безду, не указав хотя бы двумя словами на еще одну сторону вопроса. Я хотел бы еще сказать вам, что занятая физикой, углубление в ее основы и в те широкие идеи, на которых она строится, и в особенности самостоятельная научная работа приносит огромное умственное удовлетворение. Убеждать в этом я не хочу. Да и вред ли здесь возможно убеждание. Тут каждый должен убедиться с ним, что после кто-нибудь из вас почувствует в себе такое стремление, то для меня всегда будет большим удовлетворением способствовать всем, чем я могу, его осуществлению. В последнем удовлетворении таких чисто научных запросов учащся я, помимо многих личных смпатей, вжу одну, и не последнюю, задачу высшей школе.