Говоря о роли физики, выделим три основных момента. Во-первых, физика является для человека важнейшим источником знаний об окружающем мире. Во-вторых, физика, непрерывно расширяя и многократно умножая возможности человека, обеспечивает его уверенное продвижение по пути технического прогресса. В-третьих, физика вносит существенный вклад в развитие духовного облика человека, формирует его мировоззрение, учит ориентироваться в шкале культурных ценностей. Поэтому будем говорить соответственно о научном, техническом и гуманитарном потенциалах физики.
Эти три потенциала содержались в физике всегда. Но особенно ярко и весомо они проявились в физике XX столетия, что и предопределило ту исключительно важную роль, какую стала играть физика в современном мире.
Физика как важнейший источник знаний об окружающем мире. Как известно, физика исследует наиболее общие свойства и формы движения материи. Она ищет ответы на вопросы: как устроен окружающий мир; каким законам подчиняются происходящие в нем явления и процессы? Стремясь познать «первоначала вещей» и «первопричины явлений», физика в процессе своего развития сформировала сначала механическую картину мира (XVIII—XIX вв.), затем электромагнитную картину (вторая половина XIX — начало XX в.) и, наконец, современную физическую картину мира (середина XX в.).
В начале XX в. была создана теория относительности — сначала специальная, а затем общая. Ее можно рассматривать как великолепное завершение комплекса интенсивно проводившихся в XIX столетии исследований, которые привели к созданию так называемой классической физики. Известный американский физик В. Вайскопф так охарактеризовал теорию относительности: «Это совершенно новый набор концепций, в рамках которых находят объединение механика, электродинамика и гравитация. Они принесли с собой новое восприятие таких понятий, как пространство и время. Эта совокупность идей в каком-то смысле является вершиной и синтезом физики XIX в. Они органически связаны с классическими традициями».
Тогда же, в начале века начала создаваться, а к концу первой трети столетия обрела достаточную стройность другая фундаментальная физическая теория XX в.— квантовая теория. Если теория относительности эффектно завершала предшествовавший этап развития физики, то квантовая теория, решительно порывая с классической физикой, открывала качественно новый этап в познании человеком материи. «Для квантовой теории характерен именно разрыв с классикой,— писал Вайскопф.— Это шаг в неизведанное, в мир явлений, которые не умещались в рамки идей физики XIX в. Надо было создать новые приемы мышления, чтобы понять мир атомов и молекул с его дискретными энергетическими состояниями и характерными особенностями спектров и химических связей».
Используя квантовую теорию, физики совершили в XX в. в буквальном смысле слова прорыв в понимании вопросов, касающихся моля и вещества, строения и свойств кристаллов, молекул, атомов, атомных ядер, взаимопревращений элементарных частиц. Возникли новые разделы физики, такие, как физика твердого тела, физика плазмы, атомная и молекулярная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц. А в традиционных разделах, например оптике, появились совершенно новые главы: квантовая оптика, нелинейная оптика, голография и др.
Физика исследует фундаментальные закономерности явлений; это предопределяет ее ведущую роль во всем цикле естественно-математических наук. Ведущая роль физики особенно ярко выявилась именно в XX в. Один изнаиболее убедительных примеров — объяснение периодической системы химических элементов на основе квантовомеханических представлений. На стыке физики и других естественных наук возникли новые научные дисциплины. Химическая физика исследует электронное строение атомов и молекул, физическую природу химических связей, кинетику химических реакций. Астрофизика изучает многообразие физических явлений во Вселенной; на широко применяет методы спектрального анализа и радиоастрономических наблюдений. В отдельные разделы астрофизики выделены: физика Солнца, физика планет, физика межзвездной среды и туманностей, физика звезд, космология. Биофизика рассматривает физические и физико-химические явления в живых организмах, влияние различных физических факторов на живые системы. В настоящее время из биофизики выделились самостоятельные направления биоэнергетика, фотобиология, радиобиология. Геофизика исследует внутреннее строение Земли, физические процессы, происходящие в ее оболочках. Различают физику твердой Земли, физику моря и физику атмосферы. Отметим также агрофизику, изучающую физические процессы в почве и растениях и разрабатывающую способы регулирования физических условий жизни сельскохозяйственных культур; петрофизику, исследующую связь физических свойств горных пород с их структурой и историей формирования; психофизику, рассматривающую количественные отношения между силой и характером раздражителя, с одной стороны, и интенсивностью раздражения — с другой.
Физика как основа научно-технического прогресса. Трудно переоценить роль фундаментальных физических исследований в развитии техники. Так, исследования тепловых явлений в XIX в. способствовали быстрому совершенствованию тепловых двигателей. Фундаментальные исследования в области электромагнетизма привели к возникновению и быстрому развитию электротехники. В первой половине XIX в. был создан телеграф, в середине века появились электрические осветители, а затем электродвигатели. Во второй половине XIX в. химические источники электрического тока стали вытесняться электрогенераторами. Девятнадцатый век завершился триумфально: появился телефон, родилось радио, был создан автомобиль с бензиновым двигателем, в ряде столиц открылись линии метрополитена, зародилась авиация. В 1912 г. В. Я. Брюсов написал строки, в которых хорошо отразилось победное настроение тех лет: «Свершились все мечты, что были так далеки. Победный ум прошел за годы сотни миль. При электричестве пишу я эти строки, И у ворот, гудя, стоит автомобиль».
А между тем научно-технический прогресс только еще набирал темп; научно-техническая революция XX в. еще только назревала. Открытие электрона, создание и становление квантовой теории, возникновение атомной физики, а затем физики твердого тела — все это предопределило рождение и быстрое развитие электроники. Сначала возникла вакуумная электроника (электронные лампы, электронно-лучевые трубки); в 50-х годах стала развиваться полупроводниковая электроника (в 1948 г. был изобретен транзистор); в 60-х годах родилась микроэлектроника. Прогресс в области электроники привел к созданию совершенных систем радиосвязи, радиоуправления, радиолокации. Развивается телевидение, сменяются одно за другим поколения ЭВМ (растет их быстродействие, совершенствуется память, расширяются функциональные возможности), появляются промышленные роботы. В 1957 г. состоялся вывод на околоземную орбиту первого искусственного спутника Земли; 1961 г.— полет Ю. А. Гагарина — первого космонавта планеты; 1969 г.— первые люди на Луне. Нас почти уже не удивляют поразительные успехи космической техники. Мы привыкли к запускам искусственных спутников Земли (их число давно перевалило за тысячу); становятся все более привычными полеты космонавтов на пилотируемых космических кораблях, их многодневные вахты на орбитальных станциях. Мы познакомились с обратной стороной Луны, получили фотоснимки поверхности Венеры, Марса, Юпитера, кометы Галлея.
Фундаментальные исследования в области ядерной физики позволили вплотную приступить к решению одной из наиболее острых проблем — энергетической проблемы. Первые ядерные реакторы появились в 40-х годах, а в 1954 г. в СССР начала действовать первая в мире атомная электростанция — родилась ядерная энергетика. В настоящее время на Земле работает более трехсот АЭС; они дают около 20% всей производимой в мире электрической энергии. Развернуты интенсивные исследования по термоядерному синтезу; прокладываются пути к термоядерной энергетике.
Успехи в исследовании физики газового разряда и физики твердого тела, более глубокое понимание физики взаимодействия оптического излучения с веществом, использование принципов и методов радиофизики — все это предопределило развитие еще одного важного научно-технического направления — лазерной техники. Это направление возникло всего тридцать лет назад (первый лазер создан в 1960 г.), но уже сегодня лазеры находят широкое применение во многих областях практической деятельности человека. Лазерный луч выполняет разнообразные технологические операции (сваривает, режет, пробивает отверстия, закаливает, маркирует и т. д.), используется в качестве хирургического скальпеля, выполняет точнейшие измерения, трудится на строительных площадках и взлетно-посадочных полосах аэродромов, контролирует степень загрязнения атмосферы и океана. В ближайшей перспективе лазерная техника позволит реализовать в широких масштабах оптическую связь и оптическую обработку информации, произвести своеобразную революцию в химии (управление химическими процессами, получение новых веществ и, в частности, особо чистых веществ) и осуществить управляемый термоядерный синтез.
Говоря о связи между развитием физики и научно-техническим прогрессом, следует отметить, что эта связь двусторонняя. С одной стороны, достижения физики лежат в основе развития техники. С другой — повышение уровня техники создает условия для интенсификации физических исследований, делает возможным постановку принципиально новых исследований. В качестве примера можно указать на важнейшие исследования, выполняемые на ядерных реакторах или на ускорителях заряженных частиц.
Физика как важнейший компонент человеческой культуры. Воздействуя решающим образом на научно-технический прогресс, физика тем самым оказывает существенное влияние и на все стороны жизни общества, в частности на человеческую культуру. Однако в данном случае мы имеем в виду не это опосредствованное влияние физики на культуру, а влияние непосредственное, позволяющее говорить о самой физике как о компоненте культуры. Иными словами, речь идет о гуманитарном содержании самого предмета физики, которое связано с развитием мышления, формированием мировоззрения, воспитанием чувств. Мы имеем в виду органическую связь физики с развитием общественного сознания, с воспитанием определенного отношения к окружающему миру.
Утверждая материалистическую диалектику, физика XX в. открыла ряд исключительно важных истин, значимость которых выходит за рамки самой физики, истин, ставших общечеловеческим достоянием. Во-первых, была доказана фундаментальность статистических закономерностей как соответствующих более глубокому этапу (по сравнению с закономерностями динамическими) в процессе познания мира. Было показано, что вероятностная форма причинности является основной, а жесткая, однозначная причинность есть не более чем частный случай. Физика предоставила нам уникальную возможность: на основе статистических теорий рассмотреть количественно диалектику необходимого и случайного. Выходя за рамки собственных задач, современная физика показала, что случайность не только путает и нарушает наши планы, но и может нас обогащать, создавая новые возможности.
Во-вторых, физика XX в. продемонстрировала всеобщность принципа симметрии, заставила значительно глубже взглянуть на симметрию, расширив это понятие за рамки геометрических представлений, а главное, рассмотрела диалектику симметрии и асимметрии, связав ее с диалектикой общего и различного, сохранения и изменения. Был поставлен вопрос о симметрии- асимметрии физических законов, в связи с чем была выявлена особая роль законов сохранения. Выходя за рамки собственных задач, физика наглядно показала, что симметрия ограничивает число возможных вариантов структур или вариантов поведения систем. Это обстоятельство исключительно важно, так как дает возможность во многих случаях находить решение как результат выявления единственно возможного варианта, без выяснения подробностей (решение из соображений симметрии).
В-третьих, физика XX в. показала, что по мере углубления наших знаний происходит постепенное стирание граней, разрушение перегородок. Так, стирается грань между корпускулярным и волновым движениями, между веществом и полем. Оказалось, что как вещество, так и поле состоят из элементарных частиц и, более того, пустота — это вовсе не пустота в обычном понимании, а физический вакуум, «наполненный» виртуальными частицами. Нормой поведения для частиц, рассматриваемых в современной физике, являются взаимопревращения, поэтому мир предстает перед нами как единое целое. В этом мире понятие полностью изолированного объекта по сути дела отсутствует. Здесь уместно напомнить известное ленинское замечание, что в природе нет абсолютных граней, что «все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи»
В-четвертых, современная физика подарила нам принцип соответствия. Он возник в квантовой механике на этапе ее начального развития, но затем превратился в общий методологический принцип, отражающий диалектику процесса познания мира. Он демонстрирует важное положение диалектики: процесс познания — это процесс постепенного и бесконечного приближения к абсолютной истине через последовательность относительных истин. Принцип соответствия показывает, как именно в физике реализуется указанный процесс приближения к истине. Это не механическое добавление новых фактов к уже известным, а процесс последовательного обобщения, когда новое отрицает старое, но отрицает не просто, а с удержанием всего того положительного, что было накоплено в старом. «Изучение физики дает возможность показать, что все физические представления и теории отражают объективную реальность лишь приближенно, что наши представления о мире непрерывно углубляются и расширяются, что процесс познания материального мира бесконечен».
Наши представления о мире… Нет необходимости доказывать, что современное миропонимание — важный компонент человеческой культуры. Каждый культурный человек должен хотя бы в общих чертax представлять, как устроен мир, в котором он живет. Это необходимо не только для общего развития. Любовь к природе предполагает уважение к происходящим в ней процессам, а для этого надо понимать, по каким законам они совершаются. Мы имеем многопоучительных примеров, когда природа наказывала нас за наше невежество; пора научиться извлекать из этого уроки. Нельзя также сбывать, что именно знание законов природы есть эффективное оружие борьбы с мистическими представлениями, есть фундамент атеистического воспитания.
Современная физика вносит существенный вклад в выработку нового стиля мышления, который можно назвать планетарным мышлением. Она обращается к проблемам, имеющим большое значение для всех стран и народов. Сюда относятся, например, проблемы солнечно-земных связей, касающиеся воздействия солнечных излучений на магнитосферу, атмосферу и биосферу Земли; прогнозы физической картины мира после ядерной катастрофы, если таковая разразится; глобальные экологические проблемы, связанные с загрязнением Мирового океана и земной атмосферы.
В заключение стоит отметить, что, воздействуя на самый характер мышления, помогая ориентироваться в шкале жизненных ценностей, физика способствует, в конечном счете, выработке адекватного отношения к окружающему миру и, в частности, активной жизненной позиции. Любому человеку важно знать, что мир в принципе познаваем, что случайность не всегда вредна, что нужно и можно ориентироваться и работать в мире, насыщенном случайностями, что в этом изменяющемся мире есть тем не менее «опорные точки», инварианты (что бы ни менялось, а энергия сохраняется), что по мере углубления знаний картина неизбежно усложняется, становится диалектичнее, так что вчерашние «перегородки» более не годятся.
Мы убеждаемся, таким образом, что современная физика действительно содержит в себе мощный гуманитарный потенциал. Можно не считать слишком большим преувеличением слова американского физика И. Раби: «Физика составляет сердцевину гуманитарного образования нашего времени»