ფარდობითობის თეორიას ისე შეუსრულდა საუკუნოვანი იუბილე, რომ მისი საწყისები ადამიანთა უმრეავლესობისთვის გაუგებარი რჩება. სირთულეს, ყოველდღიურობის “საღ აზრთან” შეუტავსებლობის გარდა ამის მიზეზი ისიც არის, რომ ფარდობითობის თეორიის საფუძვლების (ელემენტების) სწავლებამ საშუალო სკოლაში რიგიანად ვერ მოიკიდა ფეხი. ეს გლობალური პრობლემაა. საკმაო ძალისხმება მოხმარდა პოპულარული ლიტერატურის შექმნას, მაგრამ ეს საქმეს არ შველის. ფიზიკის “გაპოპულარობით” მისი შეგნებული შესწავლის პრობლემა ვერ გადაწყდება. პოპულარული ლიტერატურა ხომ დაინტერესების-შემეცნების ამ აუცილებელი მოტივის-გაღვიძებისთვისაა მოწოდებული. დიახ, მაგრამ დაინტერესებასა და სისტემური შესწავლის გათიშვა ფიზიკაში სასურველ ნაყოფს არ იძლევა. ისიც უნდა ითქვას, რომ ჭეშმარიტად პოპულარული და საფუძვლიანი ფიზიკის წიგნების შექმნა საკმაოდ რთული საქმეა. აუცილებელია, საშუალო სკოლაში საინტერესოდ და მისაწვდომად ვასწავლოთ თანამედროვე ფუნდამენტური ფიზიკის საფუძვლები, ხოლო პოპულარულ ლიტერატურას, რა თქმა უნდა, თავისი შეუცვლელი ადგილი დარჩება.
როგორია საშუალო სკოლაში ფარდობითობის თეორიის სწავლების ძირითადი ხარვეზები?
სწავლებაში დაკარგულია ფიზიკის მთლიანობა, რომელიც ბუნების ერთიანობას უნდა ასახავდეს. ბუნებამ “არ იცის”, რომ იგი დაყოფილია მექანიკად, ელექტრომაგნეტიზმად, ოპტიკად, ფარდობითობის თეორიად. ბუნება ერთიანია. მაგრამ სკოლაში ფიზიკა წარმოდგენილია მოვლენების, კანონებისა და თეორიების “ენციკოპედიურ ნაკრებად”. თანამედროვე ფუნდამენტური ფიზიკის ელემენტები ტრადიციულ ნაკვეთს ეკლექტიკურად, მექანიკურად ემატება ამ უკანსკნელის გადააზრებასა და გადამუშავების გარეშე, რაც ფიზიკის “ძველ” და “ახალ” ნაწილებად დაყოფას იწვევს.
სასწავლო ლიტერატურაში ჯერ კიდევ ფართოდ გამოიყენება მოძველებული ცნებები, რომლებსაც საერთო არაფერი აქვთ ფარდობითობის თეორიის არსთან-მისი ჩამოყალიბების ისტორიას ასახავენ მხოლოდ. თვალში საცემია მასის სიჩქარეზე დამოკიდებულების საკითხი.
ძირითადი ფორმულები, როგორც წესი, გამოყვანის გარეშეა მოცემული, რის გამართლებაც არ შეიძლება-ასეთი რამ დასაშვებია მხოლოდ როგორც იშვიათი გამონაკლისი.
ფიზიკის მთლიანობის წარმოსაჩენად აუცილებელია ტრადიციული ნაწილების-მექანიკის, ელექტრომაგნეტიზმის, ოპტიკის-გადააზრებ-გადამუშავება თანამედროვე ფიზიკის თვალსაწიერიდან რელატივისტური კონცეფციის საფუძველზე, რათა მივაღწიოთ მათ ორგანულ ერთიანობას ფარდობითობის თეორიასთან, შევისწავლოთ კლასიკური ფიზიკის საფუძვლები (ელემენტები) ფუნდამენტური მეცნიერული ცოდნის ერთიანი სისტემის სახით. როგორ განვახორციელოთ ასეთი ჩანაფიქრი? პასუხი ფიზიკის სტრუქტურის ანალიზს მოითხოვს.
ფიზიკას აქვს მარტივი, ლოგიკურად მწყობრი სტრუქტურა, რომელიც მის ერთიანობას განაპირობებს. ამერიკელი ფიზიკოსის ვიგნერის კონცეფცია სამყაროს შესახებ იერარქიულია. ეს იერარქია სქემის სახით შეიძლება წარმოვადგინოთ:
- ბუნების მოვლენები
- ბუნების კანონები
- ინვარიანტობის(სიმეტრიის) პრინციპები.
ბუნების მოვლენები ჩვენი ცოდნის პირველი საფეხურია. ისინი “ნედლეულს” წარმოადგენენ მეორე საფეხურისთვის-ბუნების კანონებისთვის. ბუნების კანონები ურთიერთკავშირს ამყარებენ მოვლენებს შორის, რაც ცნობილი მოვლენების მიხედვით უცნობი მოვლენების წინასწარმეტყველების საშუალებას იძლევა. იერარქიის მესამე, უმაღლესი საფეხურია ინვარიანტობის (სიმეტრიის) პრინციპები, რომელთათვისაც უკვე ბუნების კანონები წარმოადგენს “ნედლეულს”. კანონის ინვარიანტობა, სიმეტრია ნიშნავს მისი სახის უცვლელობას გარკვეულ გარდაქმნათა მიმართ. არსებობს ღრმა ანალოგია, ერთი მხრივ, ბუნების კანონებისა და მოვლენების კავშირსა და მეორე მხრივ, ინვარიანტობის პრინციპებისა და ბუნების კანონების კავშირს შორის. ინვარიანტობის პრინციპები ურთიერთკავშირს ამყარებს კანონებს შორის: ცნობილი კანონების მიხედვით შეგვიძლია, უცნობი კანონები დავადგინოთ. ეს ინვარიანტობის პრინციპების უნივერსალურ მნიშვნელობას განაპირობებს.
ფიზიკის ერთიანობის დანახვა მხოლოდ უზოგადესი პრინციპებისა და კანონების საფუძველზე შეიძლება-მის ფუნდამენტში. ზოგადფიზიკური პრინციპები, რომელიც ფიზიკას ერთ მთლიანად წარმოაჩენენ, ინვარიანტობის პრინციპია. უდაოდ, პირველ რიგში უნდა დავასახელოთ ინერციისა და ფარდობითობის პრინციპები. თუ გვსურს ფიზიკის გააზრება ცოდნის ერთიანი სისტემის სახით, აუცილებელია, ეს პრინციპები ავირჩიოთ საფუძვლად არა მხოლოდ ფარდობითობის თეორიის, არამედ მექანიკის, ელექტრომაგნეტიზმის ოპტიკის შესასწავლად. ბუნებრივია, მხოლოდ ინვარიანტობის პრინციპი საკმარისი არ არის ფიზიკის ერთიანი კურსის ასაგებად: საჭიროა საფუძვლად გარკვეული ფიზიკის კანონებიც ავირჩიოთ, რადგან ინვარიანტობის პრინციპები ურთიერთკავშირს კანონებს შორის ამყარებს. საშუალო სკოლისთვის უცხოა ფიზიკის ერთიანი კურსის ასეთი აგება. იბადება კითხვა: ხომ არ გართულდება ფიზიკის შესწავლა? თუ არ გადავაბიჯეთ მისაწვდომობის ზღვარს(რისთვისაც სასწავლო მასალის სათანადო დიდაქტიკური დამუშავებაა საჭირო), საგრძნობლად იზრდება ფიზიკის შესწავლის ინტერესი, რადგან ფუნდამენტური არსის გამოვლენა გზას უხსნის ადამიანის შინაგან მისწრაფებას, ჩასწვდეს მეცნიერების სიღრმეებს-ეს კი სირთულის ხარისხს ცვლის.
უმაღლეს სკოლაში მეცნიერება შეისწავლება, საშუალო სკოლაში კი-მხოლოდ მეცნიერების ელემენტები. ფიზიკასა და მათემატიკაში მეცნიერების საფუძვლებში სხვა რამ იგულისხმება-გავიხსენოთ ნიუტონის “ნატურალური ფილოსოფიის(ბინებისმეტყველების) მათემატიკური(პრინციპები)”. მისი სწავლება საშუალო სკოლაში აზრად არავის მოსდის. კითხვაზე, შეიძლება თუ არა ორუცნობიანი განტოლების ცალსახა ამოხსნა, ჩვეულებრივ, უარყოფითად პასუხობენ. ასეთი პასუხი მისაღებია მხოლოდ ალგებრული აზროვნების დონეზე, რაც განმსაზღვრელია საშუალო სკოლისთვის. მეცნიერება ამდაგვარ(და უფრო რთულ) ამოცანებს ხსნის. ეს შესაძლებელია მხოლოდ უმაღლესი მათემატიკური აზროვნების დონეზე. თუ ნებისმიერი ფორმის სხეულს დავმუხტავთ, უცნობი იქნება როგორც მუხტის, ასევე ელექტრონული ველის განაწილება. კულონის კანონი და სუპერპოზიციის პრინციპი მხოლოდ ერთ განტოლებას-გაუსის კანონს გვაძლევს, რომელიც ამ ორ უცნობს აკავშირებს. ასეთი ამოცანები იხსნება სათანადო სასაზღვრო პირობების გათვალისწინებით და მეცნიერული მიღწევაა.
ნაწყვეტი წიგნიდან “რელატივისტური კლასიკური ფიზიკის საფუძვლები”
ავტორი: თამაზ ხაზარაძე