История - ключ к современности

Роках А.Г.

История и методология физики. Учебное пособие по спецкурсу "История физики".- Саратов, 2007. - с.

Представлена краткая история основных физических открытий. Обсуждается соотношение между физикой, математикой, философией и религией в их историческом развитии и в наши дни. Кратко рассмотрено развитие отечественной физики, в частности, борьба с "физическим идеализмом" в СССР. Обращено внимание на познавательные трудности современной физики и отношение к ним ведущих физиков. Даны фрагменты дискуссий по проблемам “наука и религия” и “наука – лженаука” с позиций физики, аналитической психологии и соционики.

Для студентов-физиков, менеджеров, философов, психологов и школьников лицейских классов, а также для интересующихся физикой, ее историей, жизнеописанием и психологией ее творцов.

Табл.1. Прил. 4. Библиогр.: 96 назв.

Р е к о м е н д у ю т к п е ч а т и :

Кафедра физики полупроводников

Саратовского государственного университета

Доктор физико-математических наук Б.Е. Железовский

Работа представлена в авторской редакции

© А.Г.Роках, 2007

Оглавление

Введение.. 6

1. Способность к познанию.... 9

1.1. История - ключ к современности.. 9

1.2. Модель психики.. 10

1.3. История и доистория. 12

2. Черты восточного миросозерцания.. 12

3. Античность.. 14

3.1. Первые греческие мыслители.. 15

3.2. Сократ, Платон и Аристотель. 17

3.3. Александрийская эпоха.. 18

3.4. Эллинизм и христианство в древнем Риме. 19

3.5. Христианство и физика.. 19

4. Средневековье и ростки наук.. 20

4.1. Роль арабской науки.. 20

4.2. Образование и мыслители средневековой Европы.. 21

4.3. Загадка средневековья. Магия и алхимия. 22

5. Возрождение.. 23

6. Начало Нового времени.. 24

6.1. Гелиоцентрическая система и научная революция. Коперник, Галилей, Кеплер. 24

6.2. Протестантизм и реформация. 28

6.3. Начало философии и физики Нового времени.. 29

6.4. Исаак Ньютон и триумф механики.. 31

6.5. Оптика в 17-18 веках.. 33

7. Восемнадцатый век.. 34

7.1. Промышленное развитие. 34

7.2. Температура и природа теплоты.. 35

7.3. Электричество. Лейденская банка.. 35

7.4. Теории электричества.. 36

8. Девятнадцатый век.. 37

8.1. Оптика. Интерференция. 37

8.2. Поляризация. 37

8.3. Волновая теория Френеля. 38

8.4. Скорость света.. 38

8.5. Эфир. 40

8.6. Теплота. Тепловое расширение. Сжижение газов. 40

8.7. Зарождение термодинамики.. 41

9.Термодинамика.. 41

10. Электродинамика.. 44

10.1. Электрический ток. 44

10.2. Электродинамика Ампера.. 44

11. Электромагнетизм... 45

11.1. Майкл Фарадей.. 45

11.2. Магнитооптика.. 46

12. Электромагнитная теория. Максвелл.. 46

13. Электрон, рентгеновские лучи.. 47

и радиоактивность.. 47

13.1. Катодные лучи. Электрон.. 47

13.2. Рентгеновские лучи.. 48

13.3. Радиоактивность. 48

13.4. Фотоэлектрический эффект и термоэлектронная эмиссия. 49

14. Двадцатый век.. 50

14.1. Специальная теория относительности.. 50

14.2. Общая теория относительности.. 51

14.3. О предшественниках ТО.. 52

14.4. Философская борьба вокруг теории.. 53

относительности.. 53

15. Физика дискретного.. 54

15.1. Квант действия и физика квантов. 54

15.2. Кризис в физике. Работа В.И.Ленина “Материализм и эмпириокритицизм”. 56

15.3. Радиоактивный распад.. 57

16. Модели атома, квантовая механика, 58

деление ядра.. 58

16.1. Модели атома.. 58

16.2. Квантовая механика.. 59

16.3. Искусственная радиоактивность и.. 63

семейство микрочастиц.. 63

16.4. Циклотрон.. 63

16.5. Деление ядра.. 64

16.6. Космические лучи.. 64

16.7. Ядерные "силы" и цепная реакция. 65

17. О методологии современной физики.. 66

17.1. Физика, философия, мистицизм.. 66

17.2. Физика и математика.. 67

17.3. "Физический вакуум". 69

17.4. О творцах современной физики.. 70

18. Физика в России и в СССР.. 71

18.1. Физика в царской России.. 71

18.2. Борьба с "физическим идеализмом" в СССР. 71

18.3. Физические общества в России.. 73

19. О науке и лженауке.. 76

19.1. Некоторые публикации.. 76

19.2. Немного истории.. 78

19.3. Позиция автора.. 79

19.4. Обращение Президиума РАН.. 81

19.5. Грядет ли антинаучная революция?. 81

20. Немного о будущем... 83

20.1. О прогнозе развития физики в 21 веке. 83

20.2. Физика и гуманитарная культура.. 85

Заключение.. 86

Литература.. 88

Приложения.. 89

1. Три Дон-Кихота истории.. 90

2. Наука и мистицизм.. 94

2.1. Отклик на статью академика В. Гинзбурга. 95

2.2. Ответ В.Л. Гинзбурга. 96

2.3. Д. Мережковский поправляет Поликинхорна. 96

2.4. Какая наука ближе к объяснению "чудес"?. 97

2.5. Мистический хаос на пути к структуре. 99

3. Плодотворна ли религия для ученого?. 101

4. Рифмованный итог. 108

5. ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ.. 110

1.Введение. 110

2. Фундамент развития электроники. 111

3. Этапы развития электроники. 113

1 этап. 113

2 этап. 114

Телевизионные передающие трубки. 117

Третий период развития электроники. 118

4.1 Изобретение точечного транзистора. 118

4.2 Изобретение плоскостного биполярного транзистора. 120

4.3 Предпосылки появления транзисторов. 121

4.4 История развития полевых транзисторов. 123

4.5 История развития серийного производства транзисторов в США и СССР. 125

5. Предпосылки появления микроэлектроники. 127

5.1 Требования миниатюризации электрорадиоэлементов со стороны разработчиков радиоаппаратуры. 127

5.2 Основы развития технологии микроэлектроники. 128

5.2.2.1 Фотолитография. 131

5.2.2.2 Электронно-лучевая литография. 131

5.2.2.3 Рентгеновская литография. 132

5.2.2.4 Ионно-лучевая литография. 132

IV период развития электроники. 133

Изобретение первой интегральной микросхемы.. 133

Развитие серийного производства интегральных микросхем. 134

6.3 Этапы развития микроэлектроники. 136

Именной указатель.. 137

Abstract.. 141

About the author.. 141

Об авторе.. 142

Вопросы по курсу.. 142

Темы рефератов.. 143

Учебное издание

Памяти моего дяди

Якова Анатольевича Рокаха посвящаю[1]

Введение

Духовное заметить сходство

С исполненными благородства -

Призвания достойней нет!

Гете. Завет[2]

Вопрос, стоящий в заглавии книги, обращен не столько к изучающим этот предмет, сколько к образованному обществу России, в которой после 70-летнего гонения религия и мистицизм перестали быть запретным плодом и в наше время расцветают пышным цветом, что, как и всякое богатое оттенками социально значимое явление, требует внимания и изучения.

Физика в конце II тысячелетия от Рождества Христова представляет собой продвинутую область знаний, быть может, самую продвинутую по пути "познания Добра и Зла", на который человек, согласно Священному писанию, ступил, нарушив волю Бога, впервые по-настоящему воспользовавшись предоставленной Им свободой. Пусть не смущает читателя обилие "церковных" терминов в предыдущей фразе, которой автор, ориентированный скорее атеистически, хотел отдать дань двухтысячелетнему юбилею христианства, представляющего собой мощный фактор в истории развития науки и культуры в целом. Тем более что еще совсем недавно у нас господствовало представление об исключительно отрицательном влиянии религии вообще и христианства в частности на развитие науки и общее мироощущение.

Если технические применения физики доставляют человеку все больше материальной и информационной свободы, которая в основном направляется опять-таки на материальные нужды, то сам ее предмет облегчает ориентацию в материальном мире и приход к Свободе духовной, понимаемой не обязательно в том смысле, который вкладывает в нее церковь и которая необходима, с другой стороны, и для развития самой науки. Такая самосогласованность не всегда ощущается изучающими физику, состоящую из многих разделов, не очень-то связанных между собой и содержащих немалые познавательные трудности.

И вот в конце курса обучения, частично в средней школе, а более полно в вузе, наступает благословенное время, когда познавательные муки остаются позади и обучающийся готов к обобщению накопленного, готов почувствовать себя свободным Человеком. Именно ради такого обобщения и такого ощущения и написан конспект, который Вы держите в своих руках или видите на экране компьютера.

Автор не ставил своей целью дать науковедческий анализ физики в духе, например Куна или Поппера, ограничиваясь, в основном, мнением о науке самих физиков. Методология науки возможна и в виде анализа творческого почерка ее творцов. Такой подход ближе автору вследствие своего динамизма и незавершенности, ибо физика, конечно же, развивающаяся наука. Подобное делалось, разумеется, и раньше. Однако теперь поле приложения сил расширилось благодаря аналитической психологии и соционике.

Учебная дисциплина "История и методология физики" в наше время, время падения идеологических ограничений и плюрализма мнений, позволяет использовать представившиеся возможности для прослеживания неформальных связей с философией, религией, психологией и вообще с гуманитарной культурой. Направленность такого рассмотрения - на примере обширного и глубокого научного материала, развернутого во времени, показать закономерности творчества в этой науке, которая остается лидером естествознания, если и не "единоличным", то, по крайней мере, в союзе с другой естественной наукой - биологией, не переставая испытывать серьезные познавательные трудности.

Физика как наука о материальном мире достигла таких пределов, что ей стало тесно в своих рамках. Это произошло в ХХ веке, когда учение о теплоте (энтропия) породило понятие информации, а вакуумная и твердотельная электроника позволили реализовать компьютер. Информационный подход оказался пригодным для изучения не только мира внешнего, мира вещей, но и внутреннего - мира идей, хотя предпосылки для такого расширения сферы приложения физики вызревали уже в XIX столетии, после появления термодинамики и открытия электрона.

Предлагаемый вниманию читателя конспект представляет собой краткое изложение авторского курса лекций, сопровождаемое рядом примеров использования развитых в нем положений. Цель курса: 1) рассмотрение как единого целого разнородных открытий, относящихся к различным периодам и отраслям физики с использованием закономерностей творческого процесса; 2) облегчение изучающим этот курс ориентацию в фундаменте современной картины мира, которая определяется в значительной мере наукой, философией и религией.

В процессе изложения делается также попытка учесть как общекультурный (в основном философский) дух соответствующей эпохи, так и, в отдельных случаях, личностные (типологические) особенности самих творцов, а также взаимоотношений между ними.

Поскольку наука создается личностями, для которых важна как степень заинтересованности общества в их труде, так и степень интеллектуальной свободы, отпущенной им обществом, а эти два качества нередко приходят в противоречие друг с другом, специальный раздел посвящен ситуации недавнего прошлого в нашей стране, борьбе с так называемым физическим идеализмом.

Да и сама физика, испытывая концептуальный голод, нуждается в лучшем понимании познавательного аппарата человека, направленного на изучение ее предмета, которым исторически являлась неживая природа. Однако, даже тот факт, что физические методы пригодились при исследовании генетического кода в биологии, не сделало физику достаточно пригодной для изучения феномена жизни, хотя и само понятие "жизнь" в последнее время определяют как процесс уменьшения энтропии, процесс самоорганизации, т.е. через "физические" понятия. Но и это определение все еще неудовлетворительно.

Особняком стоит область микромира, в котором нарушается причинность в ее обычном понимании, а также прерывается возможность масштабирования процессов, существующая при больших размерах; область, в которой теряется привычное нам самоподобие материи, что было фактически предсказано еще древнегреческими атомистами. Все эти важные аспекты современной физики с трудом поддаются размещению в ограниченном объеме учебника. В этой связи автор, который лишь недавно начал читать этот лекционный курс, приносит извинения специалистам за возможные неточности, возникшие при достаточно "плотной упаковке" материала, а также за то, что некоторые важные страницы истории здесь просто отсутствуют.

В эпоху плюрализма мнений и гуманитаризации естественнонаучного образования, которыми характеризуется рубеж 2 и 3 тысячелетий христианской эры, вероятно, настала пора уходить от однозначных учебников, предоставляя обучающимся определенную свободу в выборе подходов к проблеме. Подобное развитие событий диктуется и самим развитием физики, занявшейся исследованием процессов бифуркаций, вызывающих в случае нелинейной динамики сильный уход конечного результата при незначительном изменении начальных условий.

Для студентов же и подготовленных школьников, которым предстоит этот курс изучать, автор уже теперь допускает существование определенной свободы - возможности инакомыслия, т.е. свободы в выборе иных подходов к проблемам философии, религии (например, с позиций веры) и психологии, чем это сделал он сам, при условии, что они будут как-то логически обоснованы.

Особую надежду автор возлагает на то, что эта книга может быть полезной преподавателям высших и средних учебных заведений, поскольку физика, кроме количественного описания явлений природы и техники, несет в себе еще и большой мировоззренческий заряд. Автор имеет возможность говорить об этом, регулярно встречаясь со слушателями факультета повышения квалификации преподавателей при Саратовском техническом университете.

В Приложениях даются примеры применения используемой автором методологии в форме дискуссионных статей, касающихся взаимодействия науки с религией. Гораздо меньшая свобода допускается, разумеется, при формулировке физических законов или математических теорем, в которых действие субъективного фактора проявляется слабее.

Идеологические дискуссии вокруг физики, продолжавшиеся с перерывами в течение всего ХХ века, не прекратились и к его концу, хотя их характер изменился. Появившееся недавно, когда книга практически уже была закончена, Обращение президиума Российской академии наук к интеллигенции по поводу борьбы с лженаукой побудило автора к написанию специального раздела, который относится к методологии физики, хотя и носит дискуссионный характер, раздела, содержащего также предложение автора по гуманитаризации естественнонаучного и технического образования.

Написанная на грани веков и даже тысячелетий книга не могла не отразить, хотя бы частично, размышлений ведущих ученых о дальнейшем развитии науки и прогнозов на будущее. Здесь, как увидит читатель, тоже не обошлось без дискуссий.

Книга фактически состоит из двух частей. В первой части (конспекте лекций), кончающейся Заключением, дан необходимый минимум сведений для изучения дисциплины и элементы дискуссий там, где подход еще не сложился. Эти места часто набраны мелким шрифтом, и их при первом чтении можно пропустить. Приложения содержат исследования и дискуссии автора и предназначены в основном для самостоятельной работы изучающих предмет и размышлений "вольного" читателя, не связанного учебными рамками.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность члену-корреспонденту РАН ректору СГУ Д.И. Трубецкову за обсуждение физических и философских проблем нелинейной динамики и ряда методологических аспектов. Я благодарен моим коллегам В.Ф. Названову, С.А. Смолянскому, Ю.С. Гангнусу, Б.С. Дмитриеву, М.А. Старшову, Р.Ф. Мухамедову, В.И. Цою и М.Н. Куликову за обсуждение некоторых принципиальных вопросов, изложенных в первой части книги. Выражаю свою признательность Г.Ю. Чернышовой и С.А. Ракитину за помощь в компьютерной обработке текста.

Способность к познанию

Истинная сущность вещей - глубочайшая иллюзия.

Ф. Ницше

В этом курсе основным вопросом будет попытка выяснения истории и отчасти причин тех познавательных трудностей, с которыми столкнулась современная физика, багажа, которым располагает человек для познания внешнего (в данном случае неорганического) мира, ибо физика развивалась как наука о взаимодействиях в неживой природе.

История - ключ к современности

С чем можно сравнить физику?

- С мирозданием и его частями.

А с чем соразмерна история?

- С человеком и его душой.

Из разговора

Изменилась ли познавательная способность образованного человека за историческое время, составляющее приблизительно 5000 лет? На этот вопрос историки нередко отвечают отрицательно, имея в виду малое изменение за этот срок физических и ментальных способностей человека. Уровень философских рассуждений, выполненных 2,5 тыс. лет назад, скажем, Платоном, таков, что может считаться созвучным нашему времени. Недаром современная физика не забывает его подхода.

Приведем несколько цитат: “Свободен духом тот, кто перестал ощущать историю как внешне навязанную, а начал ощущать историю как внутреннее событие в духовной действительности, как свою собственную свободу”[3]; “Как это ни парадоксально, но для меня ясно, что только христианство сделало возможным позитивное естествознание и позитивную технику”; “В пределах самой христианской истории происходит постоянное взаимодействие начал юдаистических и начал эллинских, которые и являются главными источниками всей нашей культуры”[4]; “Ничего нельзя понять статически, все должно быть понято динамически”[5]. Так понимал историю наш известный соотечественник, пользовавшийся религиозным подходом, вполне, впрочем, переводимым на светский язык.

А вот, что писал философ К. Поппер[6], в прошлом физик: “Все помыслы и действия историцистов обращены к интерпретации прошлого в целях предсказания будущего”. В отношении возможности такого предсказания он выражает определенный скептицизм, поскольку человеческая история, по большому счету, мало предсказуема, если предсказуема вообще, что вызвано революционизирующей ролью новой информации, т.е. история развивается “нелинейно”.

В чем же особенности современного этапа развития физики, породившего познавательные трудности? Послушаем В. Гейзенберга: “Когда сталкиваются две частицы с чрезвычайно высокой энергией, они, как правило, распадаются на кусочки, которые однако оказываются не меньше первоначальных частиц. Откуда берется материя? Из энергии столкновения. Можно сказать, что все частицы сделаны из одной первосубстанции, которую можно назвать энергией или материей”[7]. В таком случае о делении уже говорить нельзя, замечает автор, оно утрачивает смысл.

И. Пригожин и И. Стенгерс пишут: “Проблемы физики очень малого и очень большого трудны, но именно здесь, быть может, проходит интерфейс между духом и материей” [12, с. 132].

Рассуждения о духе, сознании неотделимы от познавательного процесса, особенно когда он испытывает принципиальные трудности, как это происходило и происходит с физикой на протяжении всего XX века. До сих пор не теряют актуальности дискуссии 30-х годов о том, включать ли сознание наблюдателя в описание микрообъекта. Об этом в конце 1997 - начале 1998 года напомнило облетевшее мир сообщение журнала “Nature” о реализации “квантовой телепортации” - в недавнем прошлом предмета научной фантастики[7].

Для путешествия в глубину веков и тысячелетий, которое нам предстоит совершить, необходим идейный багаж, небольшой, но емкий. Поскольку общее представление о физике у изучающих настоящий курс, надо думать, имеется, поговорим о психике, знания которой нам потребуются для лучшей оценки хотя бы тех “эллинских начал”, о которых писал Н. Бердяев.

Модель психики

...Человеческая личность как по своей природе, так и по своему назначению лежит за пределами научной области.

Д. Максвелл

Размышление и работа мозга происходит в направлении, противоположном тому, в котором действуют обычные физические законы.

Л. Бриллюэн

Архетипы суть следствия или свидетельства более общего порядка, в равной мере охватывающего материю и дух.

В. Гейзенберг

Чем отличается современный человек от древнего? Прежде всего сознательной частью психики, интеллектом. (Подобные вопросы, как это следует из приведенных высказываний крупных физиков, не находятся в компетенции физики, однако, наука ими занимается, только психология). Бессознательная же часть у них наиболее близка. Понятие бессознательного было введено в науку З. Фрейдом для лечения нервнобольных. “Оздоровил” психику и применил это понятие к психике здоровых людей К. Юнг. Он считал психику человека состоящей из четырех пластов: эго (“я”), супер-эго (“сверх-я”), ид (“оно”, индивидуальное бессознательное) и супер-ид (коллективное бессознательное). Структурными единицами коллективного бессознательного Юнг называл архетипы, доставшиеся человеку на инстинктивном уровне с доисторических времен: Анима (женское начало в мужчине), Анимус (мужское начало в женщине), Бог и. др. Архетипы играют важную роль в научном и другом творчестве, образуя некую внутреннюю опору, своеобразный эталон, носящий обычно характер аллегории, явлениям, которые человек воспринимает из внешнего мира.

Дальнейшее развитие представлений Юнга опирается на его типологию личности, которая началась с типологизации психологических функций. Это в современном звучании этика, логика, сенсорика и интуиция. Первые две функции относятся к рациональным, вторые две - к иррациональным. Еще два понятия ввел К. Юнг: экстраверсия и интроверсия [30]. Первое связано с обращенностью человека вовне (экстраверт), второе - вовнутрь (интроверт). Общее количество психологических типов получаем перемножением числа позиций в этих трех разбиениях Юнга: 4х2х2=16.

А. Аугустинавичюте (Литва) построила из этих 16 типов социон. У каждого члена социона есть две ведущих функции - одна рациональная, другая иррациональная. У типа “Дон- Кихот” (интуитивно-логический экстраверт), например, сильные функции - интуиция и логика [13], см. также Приложение 1.

С появлением соционической модели психики, которой мы будем пользоваться в дальнейшем, напоминающей по своему характеру естественнонаучные модели внешнего мира, стал возможен единый, точнее - более цельный подход к внешнему и внутреннему миру, который до последнего времени не был свойственен науке и которым всегда отличался мистицизм. Формированию единого подхода в немалой степени способствовало то обстоятельство, что соционика опирается на понятие информации, пригодное для описания как внешнего, так и для внутреннего мира. К возникновению же этого понятия в арсенале науки закономерно привело, как мы увидим далее, развитие физики.

Не стоит, правда, забывать, что сама соционика является упрощенным изложением аналитической психологии К. Юнга, делающим его классификацию человеческих типов более доступной пониманию и практическому применению[8]. Тем не менее, появление "научной" модели внутреннего мира - значительное явление в его рациональном познании, которое, однако, как показывает опыт мировых религий, восточного мистицизма, искусства, литературы и, наконец, самой аналитической психологии, не является достаточным и, согласно принципу дополнительности, будь то по Н. Бору или по К. Юнгу, требует иррационального дополнения. На этом постулате фактически базируется методология творчества, являющаяся рациональным путем активизации иррационального, бессознательного в человеческой психике [13].

Такое "единение" физики с глубинной психологией, которое пока только намечено развитием наших знаний, способствует поистине "божественным" возможностям, открывающимся перед наукой и образованием.

История и доистория

Нам мнится: мир осиротелый

Неотразимый рок настиг.

И мы, в борьбе, природой целой

Покинуты на нас самих.

Ф. Тютчев. Бессонница,1829

Так иллюстрирует поэт отрыв человека от природы, который в большей степени, чем раньше, стал характерной чертой цивилизованного общества, использующего достижения науки и в первую очередь физики.

История человечества, осознавшего себя единым целым совсем недавно, появилась первоначально в виде истории отдельных народов приблизительно 5000 лет назад с изобретением письменности: 3300 лет до н.э. у шумеров, 3000 лет до н.э. в Египте. 2000 - в Китае (К. Ясперс). Доистория же длилась сотни тысяч лет, но о ней мы мало знаем. “Кто мы, откуда и куда идем?” Эти вопросы древних остаются без удовлетворительного ответа. Существенны следующие этапы доистории: 1) открытие огня и орудий; 2) появление речи; 3) запреты, табу, приводящие к тому, что человек не может быть только частью природы. Природа человека - его искусственность; 4) образование групп и сообществ. От инстинктивных сообществ насекомых их отличает осознание смысла. Это, например, группы мужской солидарности: армия, государство; 5) жизнь, нормируемая мифами (преданиями); 6) семейный уклад и его трансляция.

“Возникновение культуры территориально охватывает лишь узкую полоску всей земной поверхности от Атлантики до Тихого океана, от Европы, через Северную Африку, Переднюю Азию до Индии и Китая”[9]. “Никто не может понять, что здесь произошло, как возникла ось мировой истории”, - писал Ясперс, имея в виду промежуток времени от 800 до 200 годов до н.э. - время зарождения основных религий и философских учений. Пробуждение духа и является, по Ясперсу, началом общей истории человечества, которое до этого было разделено на локальные, не связанные между собой культуры.

Подлинная связь между народами - духовная, а не родовая, не природная. Отсюда и наука не является национально замкнутой. Снова Ясперс: “Тем, что тогда свершилось, что было создано и продумано, человечество живет по сей день” (созвучно Бердяеву!). Осевое время, по Ясперсу, - священная эпоха мировой истории. Она не осмыслена рационально и является предметом философской веры.