Nauka-news | Новости науки

09.07.2017

В. Н. Марков

ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ КВАНТОВО-РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ФИЗИКИ И КОСМОЛОГИИ КАК ИННОВАЦИОННЫЙ ПРОЕКТ РАЗВИТИЯ ШКОЛЬНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Представлена методическая концепция и ее реализация в инновационном образовательном проекте углубленного изучения основ современной квантово-релятивистской физики и космологии в средней школе. Исследование направлено на развитие физического образования в контексте современной образовательной парадигмы.

Ключевые слова: фундаментализация, гуманизация образования, квантово-релятивист-ская физика, физический вакуум, космология, эволюционно-синергетическая парадигма. 

В развитии человеческого общества происходят не только научные революции, кардинально меняющие понимание основных положений, составляющих фундамент науки, но и периоды достаточно глубоких радикальных реформ в образовании, когда на смену одной

образовательной парадигме приходит другая, отвечающая новому историческому этапу развития общества и науки. Сегодня на образовательном пространстве утверждается гуманистическая парадигма, направленная на развитие личности. Она вбирает в себя традиционную «знаниевую» модель образования, но при этом изменяет акценты и ориентиры образования, отдавая приоритет формированию интеллектуальной и общей культуры личности, ее компетентности и творческих начал. В качестве базовых принципов современной парадигмы выступают фундаментальность, целостность и гуманизация образования.

Новая модель образования требует обновления и его содержания. В данной статье речь пойдет о разработке и реализации в рамках этой образовательной модели методической концепции изучения основ квантово-релятивистской физики и космологии в средней общеобразовательной школе. Представленный в ней научно-методический подход ориентирован на углубленный уровень изучения физики. Он стал основой реализуемого нами инновационного образовательного проекта. В настоящее время создание школ и классов с углубленным изучением основ фундаментальных наук является стратегически важной задачей, решение которой связано с воспитанием и развитием будущей интеллектуальной элиты — ученых и инженеров, творчески мыслящих людей, способных обеспечить научно-технический прогресс страны.

Необходимость решения данной проблемы сегодня ощущается особенно остро. Неуклонно падает престиж школьного физического образования, которое оказалось мало связанным с жизнью современного общества. Содержание существующего курса физики принципиально не изменилось со времен реформы школьного образования начала 70-х годов прошлого века. Оно по-прежнему направлено на формирование политехнического образования, основывается на классических представлениях и, в лучшем случае, соответствует научным представлениям начала ХХ века.

Дело даже не в том, что изучаемых вопросов современной физики в школьном курсе действительно мало. Главное, — они не создают понимания того, что с появлением кван-тово-релятивистской физики произошла революция в физике, которая кардинально изменила представления об устройстве мира. Кроме того, отсутствие общих концептуальных и мировоззренческих идей (образно говоря, «сюжетных линий») делает курс разобщенным, не связанным в единое целое. Поэтому неудивительно, что, даже зная отдельные физические законы, ученик оказывается не в состоянии ответить на главный вопрос: что составляет основу современной научной картины мира. А ведь это можно считать сердцевиной физического образования.

В связи с этим уместно вспомнить слова американского физика И. Раби, лауреата Нобелевской премии, сказанные им почти пятьдесят лет назад: «Я уверен, что мы недостаточно последовательны, преподнося науку подрастающему поколению, в основном, в плане ее практической полезности. Мы даем очень мало из того важного для нашей жизни, что лежит за пределами практического приложения науки... Сейчас значение науки совсем другое... Физика сейчас находится в ядре гуманистического воспитания. Мое предложение состоит в том, что физика должна преподаваться на всех уровнях гуманистическим путем. Под этим я подразумеваю исторический, философский и социальный аспекты науки» (From the address of I. I. Rabi at AAAS meeting of Educational Policies Commission, 27 December 1966, Washington, D. C.). С этой позицией трудно не согласиться. Однако гуманистические аспекты науки должны основываться, прежде всего, на понимании сущностных основ изучаемого материала. Только в этом случае обучение может быть педагогически эффективным.

В методических исследованиях неоднократно предпринимались попытки модернизировать изучение современной физики в школе, но они не увенчались успехом. Главная причина этого кроется в том, что ее стараются изучать в виде теоретической схемы, то есть как специальную теорию относительности и квантовую механику, а не как физику, имеющую онтологическую основу. Такой путь изучения физики в школе неизбежно ведет к формальному знанию. Учащиеся просто не в состоянии постичь всей глубины теоретической конструкции, поскольку они не готовы к этому ни в теоретическом, ни в математическом планах. Решение задач физического образования, в том числе философского понимания основных научных положений и мировоззренческих универсалий, должно быть связано с постижением физической онтологии. Учебное познание должно строиться не на «голой» феноменологии или освоении теоретических схем, а на основе изучения реальных физических явлений и процессов.

Исходя из вышеуказанных позиций, выделим ряд факторов, которые, с точки зрения целей и принципов современного образования, должны определять методическую концепцию изучения квантово-релятивистской физики и космологии в школе, это:

■историко-культурологический, направленный на формирование понимания единства естественнонаучной и гуманитарной культуры;

■философско-методологический, способствующий философскому осмыслению изучаемого материала и постижению методов научного познания;

■онтологический, раскрывающий сущностные основы квантово-релятивистской физики и космологии и тем самым ведущий к формированию представлений о современной научной картине мира;

■системный, обеспечивающий целостность естественнонаучного образования на основе формирования современной естественнонаучной эволюционно-синергетической парадигмы;

■когнитивный, учитывающий познавательные возможности учащихся.

С учетом всех этих факторов обучение будет направлено на интеллектуальное развитие личности, будет способствовать формированию ее научного мировоззрения, философской и познавательной культуры. В этом отношении фундаментальные основы квантово-релятивистской физики являются стратегическим ресурсом развития физического образования.

Остановимся на некоторых из них более подробно. Сегодня становится ясно, что для сущностного понимания фундаментальных основ релятивистской и квантовой физики недостаточно изучать только их феноменологические основы, которые были открыты еще в начале прошлого века и завершились созданием теории относительности и квантовой механики. Под феноменологические принципы релятивистской и квантовой физики необходимо подвести онтологическое основание. Таковым является факт существования в реальности особой формы материи — физического вакуума, из которого на фундаментальном уровне и по определенным законам могут рождаться другие виды материи — вещество и поле. Это открытие стало историческим итогом развития науки последней третьи ХХ века и дает основание полагать, что физика нового столетия будет физикой вакуума.

Физический вакуум является базовой формой материи по отношению к веществу и полю. Если механику можно считать физикой вещества, описывающей механическую форму движения материальных тел, а электродинамику — физикой электромагнитного поля и соответственно полевой формы движения, то, с точки зрения современного понимания, квантово-релятивистская физика представляет собой физику вакуума и всего, что с ним связано. Вакуум оказался вовсе не демокритовой абсолютной пустотой, как полагал И. Ньютон, и не вещественным светоносным эфиром, как считали физики в конце XIX века. Это особая мировая физическая среда, которая предопределяет характер движения и динамику малых материальных объектов, генетически с нею связанных. Поэтому релятивистская и квантовая физика по сути являются проявлениями свойств физического вакуума.

Наличие геометрических и кинематических симметрий физического вакуума на макроскопическом уровне приводит к основным законам и принципам релятивистской физики. На микроскопическом уровне вакуум проявляет квантовую структуру. Его флуктуации рассматриваются как виртуальные частицы, которые на очень короткое время заимствуют энергию квантового поля, а затем возвращают ее обратно. Динамический хаос виртуальных образований порождает специфическую — квантовую форму движения реальных микрообъектов в этой среде, что и составляет фундаментальную основу квантовой физики.

Впервые квантовая форма движения на макроскопическом уровне наблюдения проявилась в корпускулярно-волновом дуализме и привела к вероятностно-статистическому описанию поведения микрообъектов. Другой стороной ее существования, как выяснилось, является образование устойчивых дискретных состояний квантовых структур в различных пространственно-энергетических масштабах, что приводит к иерархической структурной лестнице мироздания.

Таким образом, использование концепции физического вакуума позволяет раскрыть онтологию релятивистской и квантовой физики, а также показать их глубокую взаимосвязь и обусловленность, что особенно проявляется в физике высоких энергий, когда начинают происходить процессы множественного рождения элементарных частиц из физического вакуума.

Естественным и логичным развитием этой темы становится изучение вопросов современной космологии, ее стандартной и инфляционной моделей. Это позволяет дать научно обоснованное представление об эволюционном развитии Вселенной — ее рождение из нестабильного возбужденного состояния вакуума и последующего космогенеза, сопровождавшегося взаимообусловленным действием микро- и макроэволюционных процессов, которые привели к появлению новых структур и форм материи. Тем самым можно выделить и содержательно развить (наряду с теориями геологической и биологической эволюции) определяющую научную идею или парадигму современного естествознания, основным принципом которой является универсальный эволюционизм и всеобщая синергия. Несомненно, что достичь глубокого восприятия и понимания этой идеи можно только через постижение фундаментальных основ квантово-релятивистской физики и построенной на ней современной космологии.

Такова в общих чертах физическая сторона развиваемой нами методической концепции. Ее основная цель — концептуально и онтологически объединить изучение квантовой и релятивистской физики и космологии в единую целостную систему, что создает, во-первых, более глубокое понимание уже использующихся в курсе физики фундаментальных понятий и принципов; во-вторых, приводит к осознанию новой — квантово-релятивистской — физической картине мира и эволюционно-синергетической парадигме, лежащей в основании всего современного естествознания. Не останавливаясь здесь подробно на других аспектах данной концепции (см., например, работы [1; 2]), сформулируем ее основные положения:

■основы квантовой и релятивистской физики должны изучаться в рамках единой квантово-релятивистской физической концепции, онтологическим основанием которой являются структурно-симметрийные свойства физического вакуума, определяющие проявление в физической реальности релятивистских и квантовых факторов;

■квантово-релятивистская физика (с позиций системно-структурного подхода) должна представляться как единая целостная содержательная система, структурно опирающаяся на ряд фундаментальных физических принципов, определяющих современное физическое понимание мира;

■формирование принципов квантово-релятивистской физики должно осуществляться путем теоретического обобщения эмпирических фактов и их последующего развертывания в обширной предметной области — от физики атомов до элементарных частиц и космологии (что составляет содержательную основу развивающего обучения);

■интеграция в структуру изучения квантово-релятивистской физики вопросов кос-могенеза создает возможности для реализации синтеза и целостности естественнонаучного образования на основе включения в его содержание принципа универсального эволюционизма и всеобщей синергии;

■содержание квантово-релятивистской физики должно представляться в контексте историко-культурологического развития фундаментальных мировоззренческих и физических идей как важнейшая часть культуры современной эпохи, обеспечивающая формирование базовых структур человеческого сознания, определяющих научное мировоззрение человека;

■изучение квантово-релятивистской физики должно быть согласовано и адаптировано к развитию когнитивных структур мышления путем деятельностного освоения физической методологии и современного стиля научного мышления;

■математический аппарат в изложении квантово-релятивистской физики должен использоваться по принципу разумной достаточности, ограничивающему стремление достичь излишней строгости рассуждений путем построения сложных математических вычислений.

Попытка реализовать эти методические положения нами была предпринята в новом учебном пособии «Основы современной физики и космологии», предназначенном для учащихся, углубленно изучающих физику и математику в общеобразовательных учреждениях [4]. Его содержание представлено в виде лекций. По нашему замыслу, этим достигается цельность восприятия отдельной темы или проблемы, в то же время позволяя учителю самостоятельно осуществлять планирование учебного материала по урокам. Первые результаты оказались вполне удовлетворительными, а главное, они показали неподдельный интерес учащихся к обсуждаемой проблематике.

Ниже приводится структура (рис. 1) и содержание реализованной в учебном пособии программы. Рассчитана она на 50 часов и состоит из трех модулей. Модульный принцип построения программы позволил более четко выразить ее составные части и содержащиеся в них ключевые идеи, подлежащие изучению, сгруппировать содержание программы в несколько относительно самостоятельных блоков.

Рис. 1. Структура учебной программы углубленного изучения основ квантово-релятивистской физики и космологии с опорой на онтологическую концепцию физического вакуума

Программа

изучения основ квантово-релятивистской физики и космологии

(углубленный уровень)

Модуль 1. Историческое развитие мировоззренческих идей. Научная картина мира как отражение культуры исторической эпохи. Идеи единства, первоосновы и саморазвития мира в древнегреческой натуральной философии. Натурфилософские концепции атомизма и континуальности, их развитие в классической физике. Экспериментальные и теоретико-математические основы механики Ньютона. Абсолютное пространство и время. Принцип дальнодействия. Механический детерминизм. Концепция мирового светоносного эфира. Принцип близкодействия. Электромагнитная теория Максвелла.

Физический вакуум как форма материи и онтологическое основание квантово-релятивистской физики и космологии. Структура современной физики. Принцип соответствия. Исторический путь к современной научной картине мира.

Модуль 2. Основы релятивистской физики. Историческое становление релятивистской физики. Понятие физической симметрии. Фундаментальные (геометрические и кинематические) симметрии вакуума. Связь симметрий с законами сохранения. Релятивистский принцип относительности. Релятивистская постоянная. Релятивистский закон преобразования скоростей. Основные соотношения релятивистской динамики и их экспериментальные основания. Принцип эквивалентности энергии и массы.

Исторические основы квантовой физики. Гипотеза Планка и Эйнштейна о дискретности электромагнитного излучения. Проблема теплового изучения тел. Квантовая постоянная. Фотоэффект. Эффект Комптона. Гипотеза де Бройля о волновых свойствах вещества. Интерференция и дифракция микрочастиц. Принцип корпускулярно-волнового дуализма.

Квантово-физическая форма движения. Фундаментальные принципы квантовой физики. Модельные эксперименты с электронами на двух щелях. Квантово-физическая форма движения микрообъектов. Вероятностный детерминизм. Волновая функция. Принцип суперпозиции квантовых альтернатив. Принцип и соотношения неопределенностей.

Квантовая структура физического вакуума. Виртуальные частицы. Эффект Казимира. Взаимодействия реальных и виртуальных частиц. Фейнмановские диаграммы. Сущность корпускулярно-волнового дуализма.

Физические основы квантовых структур. Квантовая модель атома. Рождение атомной квантовой механики. Проблема устойчивости атома в классической физике. Постулаты Бора.

Квантовая модель отражающего осциллятора. Нерелятивистская квантовая модель атома водорода. Квантование энергии и орбитального момента количества движения. Квантовые числа. Электронные конфигурации атома. Энергетический спектр и спектральные закономерности атома водорода. Спин электрона. Релятивистская квантовая модель атома водорода. Лэмбовский сдвиг. Оболочечная модель многоэлектронных атомов.

Принцип запрета Паули. Спектральный принцип квантовой физики.

Действие и проявление квантовых и релятивистских принципов в ядерной физике. Методологические и феноменологические основы ядерной физики. Метод рассеяния. Ядерные силы. Сильное взаимодействие нуклонов. Энергия связи ядер. Дефект масс как проявление действия закона эквивалентности энергии и массы. Радиоактивность. Проявление слабого и электромагнитного взаимодействий.

Спектральный принцип и принцип Паули в ядерной физике. Ядерные спектры. Изотопическая симметрия. Оболочечная модель ядра.

Ядерные реакции. Источники энергии звезд.

Субъядерная физика и физический вакуум. Особенности субъядерного мира. Систематизация элементарных частиц.

Гипотеза о кварковой структуре адронов. Проявление спектрального принципа в субъядерной физике. Внутренние симметрии элементарных частиц. Стандартная модель физики элементарных частиц. Фундаментальные частицы вещества. Квантово-полевой механизм фундаментальных взаимодействий.

Физический вакуум и взаимопревращения элементарных частиц.

Модуль 3. Основы современной космологии и космомикрофизики. Историческое развитие представлений о возникновении и строении Вселенной. Методология и экспериментальные средства исследования Вселенной.

Теоретические и эмпирические основы релятивистской космологии. Пространство и время в теории относительности. Наблюдаемые следствия общей теории относительности. Релятивистская модель нестационарной Вселенной. Модель Фридмана. Космологический эффект красного смещения. Закон Хаббла. Космологическое ускорение Вселенной.

Модель горячей Вселенной. Большой взрыв. Гравитационный вакуум и инфляционная модель. Сценарий эволюционного развития Вселенной. Реликтовое излучение.

Эволюция галактик и звезд. Наша галактика и место в ней солнечной системы.

Принцип универсального эволюционизма и всеобщей синергии в научной картине мира. От неклассической к постнеклассической картине мира. Иерархическая структурная лестница мироздания. Принцип универсального эволюционизма. Принцип всеобщей синергии и самоорганизации мира. Фундаментальные проблемы современного естествознания.

Важным элементом этой программы является историко-культурологический модуль. Фактически он выполняет роль своеобразного введения в изучение основ современной физики. Его цель состоит в том, чтобы задать определенный мировоззренческий и концептуальный вектор всему последующему изучению материала, обозначить в нем главную проблему научного познания — постижение мироустройства, его структуры.

Стремясь постичь тайны мироздания, человек прошел длинный путь осмысления объективной реальности — от представлений о сотворении мира Богом до понимания природы естественного происхождения и саморазвития Вселенной. Началом этого познавательного пути явились умозрительные мировоззренческие идеи древнегреческой натуральной философии, которые затем были развиты экспериментальным естествознанием и математикой и привели, в конечном счете, к установлению фундаментальных законов природы. Этот исторический путь познания истины составляет основу введения, в котором нами подчеркнуто выделены:

■три основных этапа научного познания мира (античная натуральная философия; классическое естествознание, начало которому положила ньютоновская механика; современная квантово-релятивистская физика, составляющая основу современных космологических представлений и эволюционно-синергетического видения мира);

■основные методы научного познания и путь их исторического развития — от натурфилософского умозрительного восприятия мира к экспериментальной методологии и математическому моделированию, составляющих основу теоретического осмысления реальности;

■фундаментальные идеи и понятия (категории), определяющие устройство мироздания, истоки их появления, последующего исторического развития и современного понимания.

Центральное положение в этом модуле занимает идея о единстве, первооснове и саморазвитии материального мира, сформулированная первыми древнегреческими натурфилософами. Она становится его доминантой, поскольку весь последующий путь развития естествознания можно рассматривать как конкретизацию и эволюцию этой фундаментальной идеи об устройстве Мира. Со временем она оформляется в виде определенных философских учений, физических концепций и теорий, которые уже оперируют такими универсалиями, как материя, движение, пространство, время. Исторический путь развития этой мировоззренческой идеи схематически представлен на рисунке 2. 

Таким образом, содержание данного модуля решает следующие важные задачи:

■создает необходимую предпосылку для введения представлений о физическом вакууме как исходной онтологической первооснове материи, связывающей мир в единую целостную систему;

■объединяет изучение классической и квантово-релятивистской физики вокруг фундаментальной натурфилософской идеи об устройстве мира;

■формирует понимание принципиального различия классического и неклассического (квантово-релятивистского и эволюционного) взгляда на мир.

В этой статье мы затронули только главную, стержневую часть методических идей, составляющих основу принципиального нового методического подхода к изучению современной квантово-релятивистской физики и космологии (более подробно он представлен в работе [3]). Следует заметить, что, не являясь жесткой методической схемой, строго регламентирующей порядок действий в изложении содержания, он, тем не менее, задает концептуальный каркас всего курса физики, наделяя его при этом некоторыми степенями свободы и устанавливая общую направленность методических действий для дальнейших поисков и исследований в этой области. В конечном счете, такой подход может привести к изменению всей структурной архитектоники физического образования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

• 1.Марков В. Н. Образовательная стратегия познания современной физики // Известия РГПУ им. А. И. Герцена: Научный журнал. 2010. № 135. С. 143-154.
• 2.Марков В. Н. Проблема разработки фундаментально-содержательного ядра квантово-релятивистской физики на продвинутом уровне изучения в профильной школе // Известия РГПУ им. А. И. Герцена: Научный журнал. 2013. № 154. С. 155-164.
• 3.Марков В. Н, Пухов Н. М. Физическая картина мира: От натуральной философии к современной физике: Монография. СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2011. 222 с.
• 4.Марков В. Н. Основы современной физики и космологии: Учебное пособие для общеобразовательных учреждений с углубленным изучением физики. СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2014. 182 с.
• REFERENCES
• 1.Markov V. N. Obrazovatel'naja strategija poznanija sovremennoj fiziki // Izvestija RGPU im. A. I. Gertsena: Nauchnyj zhurnal. 2010. № 135. S. 143-154.
• 2.Markov V. N. Problema razrabotki fundamental'no-soderzhatel'nogo jadra kvantovo-reljativistskoj fiziki na prodvinutom urovne izuchenija v profil'noj shkole // Izvestija RGPU im. A. I. Gertsena: Nauchnyj zhurnal. 2013. № 154. S. 155-164.
• 3.Markov V. N., Puhov N. M. Fizicheskaja kartina mira: Ot natural'noj filosofii k sovremennoj fizike: Monografja. SPb.: Izd-vo RGPU im. A. I. Gertsena, 2011. 222 s.
• 4.Markov V. N. Osnovy sovremennoj fiziki i kosmologii: Uchebnoe posobie dlja obshcheobrazova-tel'nyh uchrezhdenij s uglublennym izucheniem fiziki. SPb.: Izd-vo RGPU im. A. I. Gertsena, 2014. 182 s.

Источник:  КиберЛенинка: https://cyberleninka.ru/article/n/osnovy-sovremennoy-kvantovo-relyativistskoy-fiziki-i-kosmologii-kak-innovatsionnyy-proekt-razvitiya-shkolnogo-fizicheskogo