Фрова А.; Аганов А.В., Сафиуллин Р.К., Скворцов А.И., Таюрский Д.А. КОМПЛЕКТ:
1. ПОЧЕМУ ПРОИСХОДИТ ТО, ЧТО ПРОИСХОДИТ: Окружающий мир глазами ученого. 2. ФИЗИКА ВОКРУГ НАС: КАЧЕСТВЕННЫЕ ЗАДАЧИ ПО ФИЗИКЕ. Около 1500 задач с подробными решениями

Оглавление

Предисловие

Один из самых важных (и самых трудных) элементов в общении учителя и ученика – умение "зажечь разум" собеседника. Нужно, чтобы послание было не только понятным адресату, но и интересным, привлекательным. На самом деле именно этот интерес, благодаря целому ряду химических сигналов, поступающих из более глубоких структур, и активизирует кору головного мозга, облегчая индивидууму запоминание информации. Это то, что называют вниманием.

Книга Андреа Фрова как раз и обладает таким достоинством. Она не только написана понятным (и, разумеется, научно правильным) языком, – в беседах о физике, химии, математике, биологии, обсуждая явления, с которыми мы сталкиваемся каждый день, она способна "зажечь" разум читателя. Любознательного человека интересует все, что его окружает – от дождя до самолета, от серфа до майонеза. Взгляд ученого позволяет нам приоткрыть многие завесы тайны, покрывающие эти явления и объекты. Таким образом, любопытство становится ключом доступа к целому ряду законов природы, которые не привлекли бы внимание читателя, будь они написаны сухим языком.

Но есть кое-что еще. Наблюдение за миром с научной точки зрения приучает нас к использованию самого ценного из того, чем мы обладаем: нашего разума. В мире, в котором часто правят эмоциональность и иррациональность, важно привить людям способность (начиная также с мелких бытовых явлений) подходить более осмысленно к пониманию окружающих нас вещей.

В своей книге Андреа Фрова показывает нам, что наука присутствует везде и что достаточно захотеть узнать об этом больше, чтобы с удовольствием открывать одну за другой китайские шкатулки знаний.

Книга затрагивает мимоходом некоторые аспекты так называемых паранормальных явлений, которые пользуются сегодня таким успехом у безоружной публики, забрасываемой непроверенной и часто ложной журналистской информацией. Вполне понятно, что многим людям гораздо проще поверить в свои надежды, чем разобраться в них. Для тех же, кто хочет в толковании реальности использовать разум, а не чувства, существует единственный путь – тот, по которому уже много столетий идут ученые, отделяя иллюзорное от реального на основе принципа постоянной проверки фактов.

Такой метод позволяет, в частности, провести черту между тем, что известно, и тем, что неизвестно (или пока неизвестно).

В мире действительно очень много людей, которые путают свое мнение с реальностью и которые считают "правдой" то, что просто является их личным убеждением. Наука же, как говорил Конфуций, состоит из "знания того, что известно, и незнания того, что неизвестно". Это, конечно, намного скромнее, но в то же время намного сильнее.

Эта книга для всех, кто сохранил любознательность и стремление делать открытия и учиться. Я бы рекомендовал ее также учителям, желающим "зажечь" разум своих учеников там, где скучная дидактика способна лишь загасить его.

От автора

Хочу сопроводить свое предисловие пояснением, почти заявлением о намерениях. За всю свою жизнь я никогда не сталкивался – да и мои знакомые тоже – с явлениями, которые нельзя было бы разумно объяснить законами природы. Я сам видел летающие тарелки и огненные шары, наблюдал перемещение предметов посредством усилия мысли. Но все это при спокойном и тщательном изучении оказывалось обычными проявлениями общеизвестных феноменов, игрой света, статистически маловероятными, но не невозможными случайными совпадениями. Не обошли меня и рассказы от третьих лиц о подлинных чудесах, которые, тем не менее, не выдерживали строгой (и компетентной) проверки. В передачах о загадочных явлениях, ставших в XXI веке по каким-то необъяснимым причинам очень модными, телевидение предлагает нам ошеломляющие фильмы, которые зачастую оказываются банальным монтажом, или представляет свидетельства добропорядочных граждан, убежденных в том, что они говорят, но совершенно неубедительных для экспертов. В любом случае мое мнение таково, что речь идет всегда лишь об информации, услышанной от кого-то и на очень далеком расстоянии.

Мало кого волнуют на фоне сегодняшней грубой действительности идеи австрийского философа науки Карла Поппера. Не существует таких научных идей, которые могли бы быть окончательно доказаны как верные, – говорил Поппер, – как бы многочисленны ни были их доказательства и экспериментальные проверки. Более того, всего одного эксперимента, дающего противоположный результат, будет достаточно, чтобы провалить идею. Наука, другими словами, идет вперед, демонстрируя неуниверсальность более ранних представлений, и находится в постоянном поиске теорий, действие который распространяется на более широкие области.

Любое событие при разумном к нему отношении можно объяснить в рамках научных знаний, существующих на данный момент, или тех, которые появятся в дальнейшем. Такое отношение предполагает следующее. Во-первых, не следует принимать на веру явления, которые недостаточно документированы, не удостоверены, не проверены и, тем более, если они не имеют объяснений (в том числе чудеса и плачущие статуэтки). Во-вторых, необходима компетентность в очень широком спектре знаний, что, естественно, невозможно для огромного большинства из нас. В-третьих, нужно осознавать историческое развитие науки, которая час за часом, день за днем превращала чудо сначала в понятие, доступное первопроходцам, а затем во всеобщее достояние; а каждый тезис, который может быть подвержен критике, по словам Поппера, в другое понятие, более убедительное и долговечное. Пьеро Анджела в своем предисловии приводит замечательные слова Конфуция: "Наука –это знание того, что известно, и незнание того, что неизвестно".

Перейдем к сюжету книги. Вот уже пятнадцать лет я преподаю студентам двухгодичный курс общей физики, и больше всего меня поражает полное отсутствие в их мышлении связи между законами и экспериментами, которые я им пытаюсь объяснить, и окружающей реальностью. И тем не менее в классической физике нет понятий, которые бы в той или иной форме не затрагивали их, смотрят ли они на источник света, занимаются ли спортом, плывут ли по морю или поднимаются в горы; наблюдают ли за небом и явлениями природы, прислушиваются ли к ветру или раскатам грома, а может, и к другим звукам и шумам, будь это даже божественная гармония музыки, или когда занимаются чем-то на кухне, или же видят в действии окружающую нас разнообразную технику – от простого гвоздя, пробивающего себе дорогу в дереве, до искусственного спутника, совершающего рискованное путешествие в космосе (это всего несколько из более чем двухсот пятидесяти примеров, которые будут рассмотрены в этой книге).

Еще более удручает то, что такое расхождение между физикой школьных программ и физикой повседневной жизни все сильнее проявляется сегодня, в начале третьего тысячелетия – в эпоху передовых технологий, требующую рационального подхода к решению возникающих задач и способную находить такие решения. Если спросить на занятии – почему солнце на закате красное и деформированное? почему кофе-эспрессо крепче фильтрованного? почему лед скользкий? почему песок часто имеет периодичную волнистую поверхность? почему в микроволновой печи нельзя готовить жаркое? почему крылья удерживают самолет в полете? почему можно разбить кирпич рукой? – ответы, скорее всего, будут редкими и неуверенными. А ведь все эти вопросы не выходят за рамки учебной программы! И речь идет о студентах, которые сами изъявили желание учиться на физическом факультете, а не на филологическом или юридическом. Я спрашиваю себя: на чем основывается их выбор? Возможно ли, чтобы квазинаучная фантастика черных дыр и космических исследований, эксперименты по столкновению элементарных частиц в огромных ускорителях или мифический ядерный синтез, все то, что средства массовой информации окутали аурой внеземного очарования, так глубоко проникло в умы, что студенты умудряются забыть о пространстве и времени, в которых живут изо дня в день?

В конце книги представлен "научный" тест, проведенный много лет назад среди студентов университетов вместе с моим тогдашним прославленным партнером, профессором Джорджо Салвини. Его результаты оказались плачевными. Последнее мне кажется символичным и объясняется, на мой взгляд, вековыми традициями риторического характера итальянской культуры. Этот тип культуры ведет к пассивному и стерильному накоплению знаний. Он не только не способствует, но даже скорее затрудняет любой внимательный и конструктивный анализ наблюдаемых фактов, любое независимое формулирование причин возникновения явлений, а главное, любое желание разобраться в этих причинах. А ведь все эти умения – инструменты познания, совершенно необходимые для возможности вклада отдельной личности в коллективный прогресс, если – как говорил Кант – мы действительно решили жить так, как будто будущее зависело бы полностью от действий каждого из нас в отдельности.

Итак, молодые люди приходят в итальянские университеты, даже не предполагая, что физика может занимать в нашей жизни такое же место, как искусство и музыка, что она сама по себе красива и ценна. Что она служит для более глубокого вовлечения человека в события, обогащая удовольствие их эстетического созерцания удовлетворением от их понимания. Думаю, что мне довелось познакомиться лишь с немногими девятнадцатилетними учениками, которым школа помогла сформировать такое отношение: те, кто интуитивно почувствовал эту концепцию, уверяли, что пришли к ней сами.

Возможности физики далеко не исчерпываются объяснением бесконечного множества повседневных явлений. Эта ее сторона в третьем тысячелетии не более чем история, – и именно поэтому должна бы вызывать широкий интерес, как неотъемлемая часть культуры, гарантирующая более плодотворную умственную активность, как методология анализа и синтеза, полезная в любой другой жизненной деятельности. Она должна быть доступна каждому, обладающему минимальным багажом знаний основных законов, дошедших до нас от ученых девятнадцатого века. Настоящая книга является попыткой продвинуться в этом направлении. Надеюсь, что она подтвердит высказанные здесь мысли, а может быть, даже пошатнет вечный предрассудок, что наука – это что-то трудное, доступное только высшим умам (я задаю себе вопрос, почему так редко встречаются преподаватели, которые стараются побороть это вредное предубеждение).

Совсем другое дело – современная физика. Она занимается тем, что лежит за пределами нашего сенсорного восприятия: атомы, ядра, электроны, элементарные частицы, кварки – предметы, о существовании которых обычный человек может не иметь никакого представления, при этом оставаясь счастливым и довольным. Здесь мы вступаем в профессиональную сферу, не менее прекрасную, чем сочинение музыки, создание картин, покорение гор, но, тем не менее, профессиональную, находящуюся в постоянном развитии, где теории и эксперименты изо дня в день обновляются и часто противоречат друг другу. Для тех, кто не является физиком, такие знания не слишком полезны – какие жизненные уроки можно извлечь из них человеку и гражданину? Не говоря уже о том, что популяризировать идеи очень узкой специализации, не допуская при этом их грубой фальсификации – исключительно трудная задача.

Вернемся к физике, которая может быть более полезной – к физике нашей повседневной жизни. Идею постоянного использования научных знаний необходимо культивировать еще в школе, чтобы молодые люди научились предвкушать наслаждение от чтения учебников, сравнимое с приятным ожиданием момента разрезания рождественского кекса или прослушивания нового диска. Настоящая книга, по крайней мере в своих более элементарных частях, могла бы взять на себя эту задачу или хотя бы помочь студенту, по аналогии с литературной антологией, постепенно окунуться в хитросплетения этого предмета.

Между строк этой книги даются довольно ясные подсказки относительно различных простых экспериментов, которые молодые люди могли бы провести сами или группой вместе с преподавателем: от маленького солнца на закате, созданного дома с помощью фонарика и ванночки из плексигласа, наполненной водой с молоком, до струи душа, имитирующей капли воды в радуге, божественных лучей, получаемых с помощью перфорированного картона, модели искривленной комнаты Эймса и т.д. Чтение вопросов и ответов, по возможности – проведение опытов, под руководством всегда готовых прийти на помощь преподавателей, может стать первым шагом к новому пониманию задач научного образования, предлагаемого всему школьному сообществу. Эти задачи должны быть прежде всего направлены на развитие методологий, а не на простое накопление сокровенных знаний.

Возможно, если со временем такое произойдет, то потеряют свою силу всевозможные лживые верования, суеверия, иррациональное поведение, которые, кажется, и в наше время все еще составляют значительную часть багажа человечества. Человеку науки больно видеть так много себе подобных, одаренных памятью, интеллектом и потенциальной способностью к установлению истины, а также достоинством, и, тем не менее, оказавшихся пойманными в сети лживых философских учений, создающих мифы, не имеющие ничего общего с реальностью, и отрицающих самые очевидные элементарные вещи. Веками и тысячелетиями ученые и мыслители разрабатывали и создавали гипотезы и доказательства, и так мало из этой мудрости унаследовала наша жизнь!

В связи со сказанным выше хочу полностью процитировать великолепную мысль из раннего романа Германа Гессе "Герман Лаушер", часть которой я поместил в самом начале своего предисловия: "...Мой разум, который начинал просыпаться, выдвигал свои первые требования и изводил меня настолько, что я часто испытывал неистовые приступы ярости и бессильного раздражения. Это тоже какой-то обрывок детства, который, мне кажется, будет затем утерян большинством людей: стремление к истине, желание добиться всеобъемлющего в\'идения вещей и их причин, мучительная жажда гармонии и уверенности в духовной силе. Я страдал от многочисленных вопросов, остающихся без ответов, и постепенно открыл для себя, что для взрослых, которых я спрашивал, мои вопросы часто были малозначимыми, а мои потребности – непонятными. Каждая попытка уйти от ответа или даже сарказм по этому поводу часто толкали мою душу в созданный мир мифов, который постепенно начинал шататься. Насколько серьезнее, чище и почтительнее была бы жизнь многих людей, если бы они могли сохранить от своей юности какую-то способность к поиску, способность интересоваться тем, как называются вещи! Что такое радуга? Почему ветер стонет? Почему луга увядают, почему опять зацветают, откуда ветер, откуда снег? Почему мы богатые, а сосед Шпенглер бедный? Куда уходит солнце вечером?"

Настоящая книга неизбежно имеет свои недостатки, как большие, так и мелкие. В общем и целом я предпочел рассмотреть те явления, которые читатели имели возможность видеть хотя бы один раз в жизни. И чтобы быть корректным, скажу, что иногда объяснение является скорее плодом размышления автора, чем знанием, почерпнутым из книг. Объяснение обычно приемлемое, но не всегда единственное, которое могло бы прийти в голову. Впрочем, можно считать это скорее достоинством книги, чем недостатком: читателю на самом деле придется всегда быть начеку и интересоваться, можно ли данному ответу противопоставить другой, лучший. В любом случае, в споре рождалась и рождается истина.

Друзья и коллеги физики, которым я посвящаю эту книгу, оказали мне большую помощь, отмечая ошибки, предлагая вопросы, одобряя мой тяжелый труд. Моя жена, Мариапьера, гуманитарий по образованию, была самым ревностным моим читателем: мне кажется, что она, оставаясь по-прежнему в рамках своей деятельности, все меньше считает, что физика – это остров за пределами нашего мира. Для меня это очень важно – пожалуй, мои взгляды побеждают. Я всем выражаю свою признательность. Я очень обязан также Пьеро Анджела за то, с каким воодушевлением он написал предисловие, и Эмануэле Винасса де Реньи за неоднократную и действительно добровольную помощь. Тем не менее считаю необходимым подчеркнуть: возможные ошибки, которые могут оказаться в окончательной редакции текста, следует полностью отнести на мой счет, так как окончательный выбор был, в любом случае, за мной.

Об авторах

Фрова Андреа (Frova Andrea)

Родился в Венеции в 1936 году. Профессор Римского университета «Ла Сапиенца» по кафедре общей физики. Многие годы читает оригинальный курс музыкальной акустики. Вел исследовательскую работу в «Лабораториях Бэлла» AT&T (г. Мюррей Хилл, США), работал по приглашению ряда уни-верситетов в США, Германии, Швейцарии. Лауреат премии Галилея за 2008 год. Является автором более 150 статей в области спектроскопии конденсированного состояния материи. В последние годы научные интересы А. Фрова находятся в области физических и математических аспектов музыкальной гармонии; им написано множество статей, посвященных культуре и популяризации науки. Автор монографий «Полупроводники» (1977) и «Физика в музыке» (1999), а также ряда научно-популярных книг, среди которых: «Слово Галилею» (1998), «Свет, цвет, зрение» (2000), «Физика под носом» (2001), «Причина, по которой...» (2002), «Небесная гармония и додекафония» (2006), «Если бы человек имел крылья» (2007). Кроме того, им опубликован биографический роман о И. С. Бахе «Браво, Себастьян» (2007) и сборник научно-фантастических рассказов «Тест на зрелость» (2007).

Аганов Альберт Вартанович

Заслуженный профессор Казанского федерального университета (КФУ), заслуженный деятель науки Республики Татарстан и Российской Федерации, лауреат Государственной премии РТ в области науки и техники, руководитель Центра "Медицинская физика" и директор Института физики Казанского федерального университета. Автор и соавтор более 400 публикаций, том числе монографий и учебников.

Сафиуллин Рафаиль Каримович

Доктор физико-математических наук, профессор кафедры автоматики и электротехники Казанского государственного архитектурно-строительного университета (КГАСУ). Окончил физический факультет Казанского государственного университета (специальность — "радиофизик"), аспирантуру КГУ. Направление научной работы: тлеющий разряд, СО2- и СО-лазеры. Автор около 150 учебно-методических и научных трудов. Соавтор книг "Физика вокруг нас" (выходившей на русском, татарском и английском языках) и "Решения и ответы к сборнику задач по физике В. И. Лукашика".

Скворцов Андрей Иванович

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Института физики КФУ. Стаж педагогической работы: c 1987 г. Окончил Казанский государственный университет. Автор и соавтор более 100 публикаций, в том числе 10 учебных пособий, 4 из которых с грифом Министерства образования РФ и 2 выполнены по заказу Министерства образования Республики Татарстан.

Таюрский Дмитрий Альбертович

Доктор физико-математических наук, профессор. Заместитель директора Института физики КФУ по образовательной деятельности, заведующий кафедрой общей физики. Окончил физический факультет Казанского государственного университета. Направления научной работы: теоретическая физика, физика низких температур, физика магнитных явлений, физика конденсированного состояния. Лауреат Молодежной премии имени Е. К. Завойского (1998), Государственной премии РТ в области науки и техники (2006); Соросовский доцент (2000, 2001). Учебная деятельность: международная магистерская программа "Физика сложных систем" (с выдачей двух дипломов, ISMANS, Франция); совместная программа подготовки аспирантов (RIKEN, Япония); разработка ФГОС третьего поколения по физике. Научно-организационная деятельность: лаборатория компьютерного дизайна новых материалов, лаборатория физики сильно-коррелированных электронных систем; совместная научно-исследовательская лаборатория КФУ-RIKEN. Подготовил 5 кандидатов наук. Автор 2 монографий, более 160 статей и трудов в конференциях (Scopus — 56, Hirsch index — 7), 3 учебных пособий, 10 методических пособий.