Fundamental physics today clearly has a need for new key physics ideas, whichcanonlyemergeaftercarefulexaminationofthelegacyofthepastand implementation of effective research methods. It is physics education which is called upon to fulfill these tasks.Фундаментальная физика сегодня явно испытывает потребность в новых ключевых физических идеях, появление которых возможно только после тщательного изучения наследия прошлого и привлечения эффективных методов исследования. Эти задачи и призвано решать физическое образование

Rybakov Yu.P.

RUDN Repository

90 ФИЗИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ: ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ Ю.П. Рыбаков Российский университет дружбы народов Фундаментальная физика сегодня явно испытывает потребность в новых ключевых физических идеях, появление которых возможно только после тщательного изучения на-следия прошлого и привлечения эффективных методов исследования. Эти задачи и призва-но решать физическое образование.  Ключевые слова: Фундаментальная физика, наследие прошлого, методы обучения, физическое образование, принципы, закон симметрии Кюри. Фундаментальная физика сегодня явно испытывает потребность в но-вых ключевых физических идеях, появление которых возможно только по-сле тщательного изучения наследия прошлого и привлечения эффективных методов исследования. Эти задачи и призвано решать физическое образова-ние. Опыт показывает, что наиболее действенным методом обучения и при-общения к научным исследованиям является проблемный метод, когда пе-ред аудиторией ставится проблема, которая совместно анализируется и пути решения которой разыскиваются всеми вместе – и учителем, и учениками. Ключевую роль в процессе анализа проблемы играет поиск возникающих противоречий и попытки их разрешения.  С другой стороны, всякое исследование начинается с классификации, и здесь неоценимую помощь может оказать один из важнейших методов по-знания – метод аналогий [1]. Так, разделение всех физических величин на интенсивные и экстенсивные опирается на аналогию со структурой элемен-тарной работы как произведения силы (интенсивной величины) и смещения (экстенсивной величины). Классификация физических величин согласно их закону преобразования при замене переменных (тензорный анализ) опира-ется на аналогию с кинематикой точки (закон преобразования координат и скоростей) [2].  Уже на первом этапе изучения какого-либо явления природы исследо-ватель сталкивается с необходимостью выбора между двумя возможными методами исследования: индуктивным и дедуктивным. Если в дедуктивном методе результатом анализа является набор аксиом, из которых путем логи-ческих заключений выводятся следствия, которые и проверяются на опыте, то индуктивный метод не ограничивается только перечислением опытных фактов, но на каком-то этапе требует и их обобщения, то есть принятия не-которой гипотезы, интуитивного начала, приводящего к истинному упро-щению теории [1, 3].  Рыбаков Ю.П. Физическое образование: проблемы и методы    91 Фундаментальную роль в поиске подобных упрощений и обобщений играет обнаружение симметрии явления. В физике такую ключевую роль исполняет принцип симметрии Кюри, согласно которому симметричная причина порождает симметричное следствие [4]. Многочисленные следст-вия этого универсального принципа хорошо известны в теоретической фи-зике. Например, в теории размерностей физических величин широко при-меняется теорема Джинса – Бэкингема, согласно которой размерность лю-бой физической величины выражается как произведение некоторых степе-ней трех первичных размерностей: длины, времени и массы [5]. Эта теорема является прямым следствием инвариантности относительно масштабного растяжения отношения значений какой-либо физической величины для двух независимых измерений (на разных образцах).  Другим хорошо известным следствием принципа симметрии является связь симметрии вариационного принципа (релятивистская и калибровочная инвариантность действия) и законов сохранения, выражаемая теоремой Э. Нетер [6]. Релятивистская и калибровочная инвариантности выступают здесь как важные ограничивающие факторы при отборе различных теорети-ческих моделей.  Из других ограничивающих факторов можно назвать принцип устойчи-вости, который является выражением устойчивости наблюдаемых физиче-ских явлений. Математическая теория устойчивости, построенная А. Пуанкаре, А.М. Ляпуновым, Н.Г. Четаевым и другими исследователями как раздел общей теории динамических систем, сыграла важную роль не только в технических приложениях (теория управления и теория надежно-сти), но и при построении различных физических моделей.  Так, связь устойчивости с топологией была положена в основу кираль-ной модели барионов Скирма [7], в которой барионный заряд отождествлял-ся с топологическим инвариантом типа степени отображения, а барионы рассматривались как топологические солитоны (скирмионы). Отождествив лептонный заряд элементарных частиц с топологическим инвариантом Хопфа, Л.Д. Фаддеев предложил киральную модель лептонов [8], которые тоже рассматривались им как топологические солитоны (хопфионы или то-роны).  В перечисленных моделях вакуум выступает как стабильная фиксиро-ванная точка некоторого нелинейного многообразия. Последнее обстоя-тельство оказалось выражением еще одного фундаментального принципа в современной физике – принципа спонтанного нарушения симметрии, со-гласно которому симметрия действия может быть шире, чем симметрия ва-куума. Как выяснилось, этот принцип является новой иллюстрацией универ-сальности метода аналогий [9].  Хотелось бы отметить важную эвристическую роль, которую сыграл в творчестве Н.Г. Четаева принцип устойчивости (см. его «Казанскую про-грамму» [10]). Точно так же в качестве еще одной иллюстрации эффектив-ности метода аналогий отметим фундаментальные работы де Бройля [11] и Метафизика, 2014, № 4 (14) 92 Шредингера [12] по квантовой механике, в которых явно использовалась оптико-механическая аналогия. Одно из важных следствий принципа симметрии Кюри – принцип заря-довой независимости ядерных сил [13], широко применяемый в ядерной фи-зике. Например, хорошо известно знаменитое правило И. Шмушкевича, со-гласно которому продукты ядерной реакции всегда распределены зарядово-симметрично, то есть среднее число частиц какого-либо электрического за-ряда, рождающихся в ядерной реакции, всегда постоянно, не зависит от зна-ка и величины заряда. Другое важное следствие закона симметрии Кюри – его применение к вариационной формулировке физических законов. Например, широко ис-пользуется так называемый принцип симметричной критичности Коулме-на – Пале [14, 15], согласно которому решение симметричной задачи само симметрично и может быть получено из вариационной формулировки, су-женной на инвариантное (симметричное) множество.  Таким образом, подводя итог нашему краткому анализу основных про-блем и методов физического образования, следует подчеркнуть их тесную связь с проблемами творчества, так как, по словам Эйнштейна, «приподнять уголок Великого Занавеса» можно только совместными усилиями [16]. ЛИТЕРАТУРА 1. Пуанкаре А. О науке. – М.: Наука, 1983. – 560 с.2. Максвелл Дж.Кл. Речи и статьи. – М.–Л.: ГИТТЛ, 1940. – 228 с.3. Вейль Г. Математическое мышление. – М.: Наука, 1989. – 400 с.4. Кюри П. Избранные труды. – М.: Наука, 1966. – 399 с.5. Бриджмэн П.В. Анализ размерностей. – Л. – М.: ГТТИ, 1934. – 120 с.6. Вигнер Е. Этюды о симметрии. – М.: Мир, 1971. – 320 с.7. Skyrme T.H.R. A unified field theory of mesons and baryons // Nucl. Phys. – 1962. – Vol. 31. –No. 4. – P. 556–569.8. Фаддеев Л.Д. Калибровочно-инвариантная модель электромагнитного и слабого взаимо-действия лептонов // Докл. АН СССР. – 1973. – Т. 210. – № 4. – С. 807–810.9. Nambu Y., Jona-Lasinio G. Dynamical model of elementary particles based on an analogywith superconductivity. I, II // Phys. Rev. – 1961. – Vol. 122. – No. 1. – P. 345–368;Vol. 124. – No. 1. – P. 246–254.10. Н.Г. Четаев. Устойчивость движения. Работы по аналитической  механике. – М.: Изд-во АН СССР, 1962. – 536 с.11. Louis de Broglie. Recherches sur la théorie des quanta. – Paris: Fondation Louis de Broglie,1992. – 73 p.12. Schrödinger E. Abhandlungen zur Wellenmechanik. – Leipzig: 1927. – 160 s.13. Давыдов А.С. Теория атомного ядра. – М.: ГИФМЛ, 1958. – 612 с.14. Palais R. The principle of symmetric criticality // Comm. Math. Phys. – 1979. – Vol. 69. –No. 1. – P. 19–30.15. Waterhouse W. Do symmetric problems have symmetric solutions? // Amer. Math.Monthly. – 1983. – Vol. 90. – No. 6. – P. 378–387.16. Broglie Louis de. Nouvelles perspectives en microphysique. – Paris:  Flammarion, 1992. –356 p.Рыбаков Ю.П. Физическое образование: проблемы и методы  PHYSICS EDUCATION: PROBLEMS AND METHODS Yu.P. Rybakov Fundamental physics today clearly has a need for new key physics ideas, whichcanonlye-mergeaftercarefulexaminationofthelegacyofthepastand implementation of effective research me-thods. It is physics education which is called upon to fulfill these tasks. Key words: fundamental physics, legacy of the past, teaching methods, physics education, principles, Curie’s symmetry law. 

Физическое образование: проблемы и методы

https://repository.rudn.ru/en/records/article/downloadfile/d894b125-8657-e911-ab47-00155d61bea3/

Физическое образование: проблемы и методы

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

RUDN Repository