Tại sao vật lý lại cần thiết cho một kỹ sư?

9

L. Mandelstam

Tại sao vật lý lại cần thiết cho một kỹ sư?

Bắt đầu với bốn bài giảng về vật lý, trước khi chuyển sang phần trình bày có hệ thống về chủ đề này, hôm nay tôi sẽ tập trung vào một câu hỏi chung và chia sẻ với các bạn một số thông điệp về vị trí mà vật lý chiếm giữ và, theo ý kiến ​​​​của tôi, nên chiếm giữ trong một số ngành khoa học mà bạn sẽ dành thời gian nghiên cứu trong vài năm tới.

Tôi muốn cung cấp cho bạn tài liệu trên cơ sở đó bạn có thể tự mình nhận thấy rằng một kỹ sư luôn cần vật lý trong suốt quá trình hoạt động của mình và rằng nó không thể được coi là một môn học cần thiết - và liệu nó có cần thiết không? - vượt qua một lần, và sau đó bạn có thể quên nó, vì dù sao đi nữa, những gì một kỹ sư cần biết về vật lý sẽ được lặp lại một lần nữa khi vượt qua các môn học đặc biệt.

Khi tôi nói rằng một kỹ sư cần vật lý, tôi không chỉ có ý nói rằng anh ta phải làm quen với những hiện tượng và quy luật riêng lẻ mà anh ta trực tiếp gặp trong hoạt động thực tế của mình. Một tuyên bố như vậy sẽ là hiển nhiên. Rằng một kỹ sư xây dựng, khi tính toán độ bền của một kết cấu, phải làm quen với các định luật điều khiển cơ bản, rằng một kỹ sư điện khi thiết kế mạng lưới chiếu sáng phải biết định luật Ohm liên quan đến cường độ dòng điện, điện trở và suất điện động của pin, v.v. - điều này, tất nhiên, không cần bằng chứng. Không, khi tôi nói rằng một kỹ sư cần vật lý, ý tôi là anh ta cần có kiến ​​thức rộng rãi về chủ đề này một cách tổng thể; Tôi lập luận rằng anh ta cần kiến ​​thức về vật lý như một môn học tổng thể với phương pháp cụ thể của nó, chứ không chỉ phụ thuộc vào các ứng dụng hiện tại. Cuối cùng, tôi khẳng định rằng để làm được điều này, một kỹ sư chỉ biết phần thực nghiệm của nó là chưa đủ mà anh ta còn phải hoàn toàn quen thuộc với lý thuyết.

Không phải để chứng minh rằng điều này thực sự là như vậy, trước hết chúng ta phải cố gắng tìm ra cho mình cấu trúc của vật lý với tư cách là một khoa học và xem lý thuyết này tương ứng như thế nào với vật liệu thực nghiệm mà vật lý vận hành.

Tất nhiên, ở đây chúng ta không thể giải quyết toàn bộ câu hỏi về sự tồn tại của khoa học vật lý. Câu hỏi này, liên quan đến lý thuyết về tri thức và được cả nhà vật lý cũng như triết gia quan tâm, phức tạp hơn nhiều so với cái nhìn đầu tiên. Ông luôn chiếm một vị trí trong lịch sử tư tưởng vật lý. Nhưng với mục đích của mình, chúng ta không cần phải đi sâu vào nó. Chúng ta chỉ biết một mặt của nó là đủ, mặc dù, đó là sự thật, ở đây chúng ta cũng sẽ phải học phần nào từ xa.

Không còn nghi ngờ gì nữa, phương tiện duy nhất giúp chúng ta thu thập thông tin về thế giới xung quanh là các giác quan. Nhưng những nhận thức giác quan đơn lẻ quá tối thiểu và không ổn định để dùng làm nguyên liệu cho quá trình xử lý tiếp theo. Và do đó, một người xác định và ghi lại vào trí nhớ những đặc điểm chung trong nhận thức cá nhân được lặp lại và thực tế quan trọng đối với anh ta. Quá trình này, hoàn toàn không tự nguyện, dẫn đến sự hình thành cái mà logic gọi là khái niệm.

10

Trong quá trình hình thành các khái niệm, bước đầu tiên trên con đường nhận thức về tự nhiên. Chúng là nền tảng để xây dựng tương lai. Nhưng đối với tôi, những khái niệm ban đầu được hình thành theo cách này có đặc tính sau. Họ bất chấp định nghĩa nghiêm ngặt. Tất cả chúng ta đều biết khái niệm “ánh sáng”. Nhưng chúng ta không thể giải thích bằng lời, định nghĩa lẫn nhau về khái niệm này. Để học nó, bạn cần phải có mắt, bạn cần nhìn thấy mọi thứ xung quanh chúng ta được chiếu sáng như thế nào khi mặt trời mọc và nó chìm vào bóng tối như thế nào khi lặn. Nếu bạn nói ra, bạn có thể học được điều tương tự bằng cách bật và tắt một bóng đèn. Nhưng có một điều chắc chắn: ở đây từ ngữ và định nghĩa đều bất lực. Hãy cố gắng giải thích cho người bị mù từ khi mới sinh ra ánh sáng là gì.

Vì vậy, những khái niệm vật lý ban đầu không thể được dạy chỉ bằng lời nói. Đây là lý do tại sao, hãy để tôi nhấn mạnh điều này ở đây, cả sách giáo khoa lẫn giáo viên đều không đủ để dạy vật lý. Học sinh phải sẵn sàng tự mình làm một công việc thành thạo một chút. Anh ta phải muốn bề ngoài, nhưng muốn tự mình nhìn thấy, tự mình nghe, tự mình nhận ra những hiện tượng mà anh ta đang được kể.

Chúng tôi đã hơi chệch hướng một chút. Chúng ta hãy quay lại những bước đầu tiên trên con đường tìm hiểu thiên nhiên, những khái niệm mà thiên nhiên áp đặt trực tiếp cho chúng ta. Khi nhân loại đã phát triển kho khái niệm được gọi là kinh nghiệm (kiến thức kinh nghiệm), hiện tại vẫn cần có hệ thống hóa chúng, nếu không có điều đó thì không có cách nào để hiểu được sự phong phú vô tận của các hiện tượng xung quanh chúng ta. Trong hệ thống hóa này, khả năng của chúng ta trong việc hình thành một loại khái niệm khác, những khái niệm rõ ràng hơn những khái niệm đã thảo luận ở trên, và ít phụ thuộc vào cảm xúc của chúng ta hơn, là rất hữu ích. Trước hết, điều này bao gồm khái niệm về số và những khái niệm mà toán học vận hành. Nói cách khác, trong lĩnh vực của những khái niệm này, trong lĩnh vực tư duy toán học, rõ ràng chúng ta cảm thấy tự tin hơn so với khi làm việc với những tài liệu do các giác quan trực tiếp cung cấp cho chúng ta. Với sự trợ giúp của các khái niệm toán học, người ta chắc chắn có thể hình thành các tiền đề cũng như định nghĩa và dễ dàng rút ra kết luận và kết luận từ chúng. Và vì vậy, khi biết được sức mạnh này đằng sau mình, một người cố gắng - trước tiên là theo bản năng, sau đó là sự phát triển của khoa học và ý thức - để điều chỉnh các khái niệm toán học và đặc biệt là khái niệm về số thành vật liệu thí nghiệm thô, với các khái niệm vật lý.

Quá trình chuyển đổi từ các mối quan hệ định tính sang định lượng sẽ tạo thành giai đoạn quan trọng nhất của tư duy khoa học. Cả khái niệm đo lường và quá trình đo các đại lượng vật lý đều dựa trên nó. Chúng ta có thể nói một cách an toàn rằng bất kỳ lĩnh vực hiện tượng vật lý nào nói chung chỉ trở thành một ngành khoa học kể từ thời điểm chúng ta học cách nhìn thấy các chiều trong đó. Vì vậy, chẳng hạn, cho đến khi có khái niệm chính xác về nhiệt độ và họ chưa biết cách đo nó, khoa học về nhiệt gần như hoặc thậm chí chưa hề tồn tại.

Sử dụng toán học theo nghĩa được mô tả, giờ đây chúng ta đang cố gắng hệ thống hóa các hiện tượng xung quanh mình và giúp bản thân hiểu chúng dễ dàng hơn bằng cách tìm kiếm các công thức toán học theo nghĩa chung của từ này, không nhất thiết phải là đại số hẹp, bao trùm toàn bộ số đơn vị sự kiện có thể có hoặc khía cạnh chung của các hiện tượng khác nhau. Nếu tìm được một công thức như vậy thì chúng ta nói rằng chúng ta đã tìm ra một định luật vật lý. Hãy lấy một ví dụ. Định luật khúc xạ ánh sáng khi truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác như đã biết: tia tới và tia khúc xạ nằm trong cùng một mặt phẳng và tỉ số giữa góc tới và góc khúc xạ không đổi. Ví dụ, đối với nước và không khí, tỷ lệ này là 1,33. Những gì trước đây

11

luật này là gì? Đây là một công thức bao gồm một tập hợp các trường hợp khúc xạ miễn phí. Nó giúp chúng ta không cần phải thực hiện các thí nghiệm trong từng trường hợp riêng lẻ; điều này khiến cho việc điền hoặc điền vào các bảng cho từng trường hợp riêng lẻ góc tới và góc khúc xạ tương ứng của tia sáng là không cần thiết. Biết định luật khúc xạ, bạn chắc chắn rằng bất cứ lúc nào bạn cần, với sự trợ giúp của các phép tính đơn giản, bạn sẽ có thể giải quyết bất kỳ câu hỏi nào phát sinh theo hướng này.

Khi kiến ​​thức vật lý ngày càng phát triển, khi số lượng các định luật được tìm thấy tăng lên, việc hiểu được sự phong phú đa dạng của chúng càng trở nên khó khăn hơn. Bị thúc đẩy một lần nữa bởi nhu cầu có một định hướng tốt hơn trong khối tài liệu khổng lồ này, người ta đã cố gắng tìm kiếm những bức tranh như vậy, những quan điểm như vậy có thể giúp kết hợp các quy luật riêng lẻ thành một tổng thể. Đây là cách một lý thuyết vật lý, hay đúng hơn là một lý thuyết, được tạo ra.

Do đó, lý thuyết có cùng mối quan hệ với các quy luật riêng lẻ cũng như các quy luật đối với các hiện tượng riêng lẻ. Tất nhiên, vai trò hệ thống hóa của lý thuyết không làm cạn kiệt mọi thứ, nhưng như bạn có thể thấy, nó vẫn có tầm quan trọng to lớn trong việc hệ thống hóa kiến ​​thức của chúng ta. Và ở đây toán học đã giúp ích rất nhiều. Sự tương ứng vừa được thảo luận giữa các khía cạnh khác nhau của vật lý và sự phát triển dần dần của chúng có thể bắt nguồn từ bất kỳ lý thuyết vật lý nào. Rất dễ dàng để làm điều này, ví dụ, trên quang học.

Nhân tiện, quang học là một trong những ngành vật lý phát triển khoa học lâu đời nhất. Việc nghiên cứu các hiện tượng quang học đã có từ thời cổ đại đã dẫn đến việc thiết lập một số định luật nhất định. Định luật truyền ánh sáng thẳng và định luật phản xạ từ gương đã được biết đến từ lâu. Sau đó, vào thế kỷ 17, định luật khúc xạ được phát hiện. Tùy thuộc vào nhóm hiện tượng nào được nghiên cứu hỗ trợ và chúng được tiếp cận từ quan điểm nào, các quy luật trừu tượng khác nhau đã được thiết lập. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng, giao thoa, v.v. được phát hiện. Nhưng cho đến khi có những hứa hẹn, một quan điểm thống nhất thì việc hiểu được toàn bộ tập hợp các hiện tượng quang học là điều vô cùng khó khăn. Hơn nữa, các luật riêng lẻ dường như mâu thuẫn với nhau. Ví dụ, sự bẻ cong ánh sáng không tương ứng với sự truyền thẳng của chùm tia.

Điều này xảy ra cho đến khi nỗ lực của một số nhà vật lý lỗi lạc, trong đó trước hết phải kể đến Huygens và Fresnel, đã thành công trong việc tìm ra bức tranh mà ngày nay chúng ta gọi là lý thuyết sóng của ánh sáng và nó cho phép chúng ta nhanh chóng tạo thành một tổng thể hài hòa. Và mọi thứ tưởng chừng như phức tạp và mâu thuẫn đều trở nên đơn giản và rõ ràng.

Và lấy lý thuyết về lực hấp dẫn phổ quát của Newton. Hợp nhất với lòng dũng cảm thiên tài là một bảng gồm các hiện tượng không đồng nhất trong con mắt giác quan của chúng ta, giống như sự rơi của một hòn đá và sự chuyển động của các thiên thể, nó diễn ra từ từ chính vì tính đơn giản của nó. Trong một công thức đơn giản, nó chứa đựng tất cả động lực của toàn bộ thế giới microdania.

Tôi sẽ giới hạn bản thân mình trong những ví dụ này. có thể có một số điều trong đó mà bạn chưa rõ ràng. Không có gì đâu. Sự hiểu biết về khía cạnh thực tế sẽ đến khi bạn nghiên cứu vật lý, nhưng tôi nghĩ rằng đối với bạn, ít nhất là về mặt tổng quát, sự tương ứng giữa khía cạnh thực nghiệm và lý thuyết của nó giờ đây đã được làm rõ.

Như bạn đã thấy, hai mặt này có mối liên hệ với nhau; cùng nhau họ đại diện cho một tổng thể. Để đạt được mục tiêu cuối cùng của chúng ta - kiến ​​thức về tự nhiên - lý thuyết có thể giúp hệ thống hóa kinh nghiệm của chúng ta và cho chúng ta cơ hội sử dụng tài liệu. Lý thuyết và do đó là công cụ mà như chúng ta đã thấy, cô ấy sử dụng -

12

toán học không phải là vật dằn hay thứ gì đó gắn liền với khoa học tự nhiên một cách giả tạo. Không, đó là mệnh lệnh đó, nếu không có nó thì chúng ta sẽ không thể làm chủ được thế giới xung quanh, cả về mặt thực tế lẫn ý nghĩa thỏa mãn nhu cầu tinh thần.

Poznomu Tôi thấy - đừng coi đây là một nghịch lý - rằng người ta không thể chỉ đòi hỏi kiến ​​thức về vật lý thực nghiệm, hoàn toàn không phải vì nó quá ít mà vì nó quá khó. Những kiến ​​thức ít nhiều hữu ích về vật lý thực nghiệm đều không thể có được nếu không có sự trợ giúp của lý thuyết con người.

Quan điểm được trình bày về vai trò hệ thống hóa của lý thuyết được minh họa rất rõ ràng bằng một so sánh tuyệt vời của Poincaré.

Poincaré so sánh toàn bộ vật lý với một thư viện khổng lồ. Dữ liệu thực nghiệm riêng lẻ, hiện tượng riêng lẻ—đây là những tập sách tạo nên thư viện. Lý thuyết là danh mục của thư viện của chúng tôi. Cũng giống như không có danh mục, một thư viện, đặc biệt là một thư viện lớn, chỉ là một bộ sưu tập sách, những cuốn sách rất có giá trị nhưng thực tế không thể sử dụng một cách hiệu quả, cũng vậy, vật lý không có lý thuyết không phải là một khoa học, mà chỉ là một tập hợp khá nhỏ của các sự kiện riêng lẻ, không có cách nào để hiểu được.

Và bây giờ sẽ không khó để chúng ta trả lời câu hỏi mà chúng ta đã tự hỏi lúc đầu. Liệu một kỹ sư có cần vật lý cho mục đích của mình không? Anh ta chỉ biết những thông tin cá nhân cần thiết cho công việc thực tế của mình thôi chưa đủ sao? Đáp số, đối với tôi, có vẻ như đã rõ ràng.

Để làm việc hiệu quả - Poincaré cho phép tôi nói bằng ngôn ngữ so sánh - việc một kỹ sư đọc và biết nhiều cuốn sách từ một thư viện kiến ​​thức khổng lồ là chưa đủ. Anh ta phải quen thuộc hoặc ít nhất có thể hiểu được danh mục thư viện.

Về mặt kỹ thuật, lịch sử biết rất nhiều ví dụ về những thất bại bí ẩn, những thất bại lặp đi lặp lại và đôi khi gây ra những hậu quả rất khó chịu. Và rất thường xuyên, nó được xác định một cách bí ẩn không phải bởi sự hiện diện của hành động của các yếu tố mới, cho đến nay thường chưa được biết đến, mà bởi sự thiếu tầm nhìn vật lý rộng rãi của những người giải quyết những vấn đề này. Và khi những người có kiến ​​​​thức vật lý thực sự rộng tham gia lời giải, câu đố không chỉ được làm sáng tỏ và tìm ra cách ngăn chặn thất bại mà thường những con đường mới cũng được mở ra để tiến bộ hơn nữa.

Hãy để tôi kết thúc bằng một ví dụ mà đối với tôi dường như có thể minh họa tầm quan trọng của tầm nhìn vật lý rộng lớn trong việc giải quyết các câu hỏi kỹ thuật.

Tôi đang đề cập đến câu hỏi về các dụng cụ quang học và đặc biệt là câu hỏi về vi niêm phong. Bạn biết rằng microsopop đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong nhiều đặc điểm của kiến ​​thức ứng dụng. Tôi sẽ không nhắc bạn về tầm quan trọng của nó trong y học, vệ sinh và vệ sinh. Tôi chỉ có thể nói rằng trong nghiên cứu kim loại microsopop hiện không thể thay thế được. Microsopop bắt đầu được quan tâm đặc biệt vào giữa thế kỷ này, sau khi việc sử dụng nó trong sinh học đã mở ra những con đường hoàn toàn mới trong việc nghiên cứu các hiện tượng sống. Nhưng sau những thành công đầu tiên, hóa ra lúc đó vi sinh vật chưa tốt và chưa mạnh. Các nhà nghiên cứu cảm thấy rõ ràng rằng nếu có thể xây dựng các cấu trúc vi mô với độ phóng đại lớn hơn thì đồng thời có thể thâm nhập sâu hơn vào bản chất của sự sống. Và triển vọng luôn thu hút những người có lực lượng đặc biệt. Và trí tưởng tượng không còn tồn tại khi đối mặt với việc xây dựng microsop, tăng hàng chục, hàng trăm nghìn và hàng triệu lần, họ mong đợi những điều kỳ diệu từ việc sử dụng chúng. Các nhà nghiên cứu mong đợi rằng với sự giúp đỡ của họ, họ sẽ thâm nhập được vào những chi tiết sâu sắc nhất về cấu trúc của vật chất sống.

Rõ ràng là với tình hình như vậy, các nhà thiết kế chuyên biệt về thiết bị quang học đã bắt đầu nỗ lực hết mình để cải tiến microsop. Và về nguyên tắc họ cho rằng có thể đạt được

13

bất kỳ sự gia tăng nào. Toàn bộ câu hỏi dường như tập trung vào việc khắc phục những khó khăn kỹ thuật.

Thực tế là vào thời điểm đó, tất cả các phép tính liên quan đến dụng cụ quang học đều được thực hiện độc quyền với sự trợ giúp của cái gọi là quang học hình học. Các tính toán dựa trên lý thuyết microcoppa, lý thuyết hoạt động với các tia sáng là đường thẳng (tuy nhiên, lý thuyết này chỉ được dạy ở trường trung học cho đến tận ngày nay).
Và từ quan điểm của quang học hình học, thực sự không có giới hạn cơ bản nào cho khả năng tăng microcoppa.

Tuy nhiên, rõ ràng là công việc nhằm thiết lập điều kiện microcoppa còn lâu mới mang lại kết quả như mong đợi. Có sự mâu thuẫn giữa những gì có vẻ dễ tiếp cận và những gì đạt được không bắt buộc.

Đây là tình huống khi người thợ cơ khí Zeiss của Jena, người có một xưởng cơ khí và quang học nhỏ và chế tạo ra những chiếc microcoppa không tệ vào thời điểm đó, đã mời nhà vật lý trẻ lúc bấy giờ là Abbe làm cố vấn. Abbe được đào tạo lý thuyết tốt và thông thạo quang học lý thuyết. Ông biết rằng quang học hình học chỉ là một sơ đồ thuận tiện để xử lý hiện tượng khúc xạ cổ điển. Anh biết giá trị của nó, vì bản thân anh đã đóng góp rất nhiều cho lĩnh vực này. Nhưng ông cũng biết rằng theo quan điểm của lý thuyết sóng ánh sáng, lý thuyết làm cơ sở cho quang học hình học, thì lý thuyết này chẳng qua là một sự gần đúng. Và ông đã ngay lập tức tiếp cận vấn đề đào vi mô với một cái nhìn bao quát, không bị ràng buộc bởi khuôn khổ chật hẹp của lý thuyết hình học.

Kết quả của phương pháp kinh doanh này sẽ không còn lâu nữa. Một trong những kết quả chính mà Abbe đạt được là như sau. Ông đã chỉ ra rằng bản chất giống sóng của ánh sáng đặt ra một giới hạn cơ bản cho độ phóng đại hữu ích có thể đạt được bằng microcoppa hoặc thực tế là với bất kỳ dụng cụ quang học nào. Nếu các chi tiết nhỏ hơn của một đối tượng xác định các giá trị hoặc chuẩn mực, thì những chi tiết này không thể nhìn thấy được; không có kính hiển vi nào có thể tiết lộ chúng. Tất cả các tham chiếu đến mức tăng từ 100.000 lần trở lên và mọi hy vọng liên quan đến chúng về cơ bản phải bị loại bỏ và công việc của những người muốn xây dựng những chiếc microcoppas như vậy là hoàn toàn vô nghĩa. Bằng những thí nghiệm xuất sắc, Abbe đã xác nhận tính đúng đắn của kết luận lý thuyết của mình.

Hãy để tôi dừng lại ở đó. Tôi hy vọng bây giờ bạn sẽ đồng ý với tôi rằng kiến ​​thức, kiến ​​thức rộng rãi, đầy đủ về vật lý đối với một kỹ sư không phải là tiếng Nga, mà là một điều cần thiết, rằng một chân trời vật lý rộng lớn không chỉ là tài sản của những cá nhân được chọn - những kỹ sư không ngừng mở đường cho công nghệ mới, mà còn là tài sản của mọi kỹ sư có ý thức về công việc của mình. Nếu những gì tôi vừa nói có thể giúp củng cố quan điểm này trong bạn thì mục đích của tôi đã đạt được.

Nhưng tôi không muốn kết thúc ngày rắc rối của chúng ta mà không chỉ ra ít nhất hai từ cho một khía cạnh khác của vấn đề. Tôi cũng muốn nói với bạn rằng việc tham gia vào lĩnh vực vật lý, đi sâu vào nền tảng của nó và những ý tưởng rộng lớn mà nó được xây dựng trên đó, và đặc biệt là công việc khoa học độc lập, sẽ mang lại sự thỏa mãn to lớn về mặt tinh thần. Tôi không muốn thuyết phục bạn về điều này. Và việc thuyết phục ở đây có tác hại gì không? Ở đây mọi người nên đảm bảo với anh ấy rằng sau khi một trong các bạn cảm thấy mong muốn như vậy ở bản thân, thì tôi sẽ luôn rất hài lòng khi được đóng góp bằng mọi cách có thể để thực hiện nó. Để thỏa mãn cuối cùng những yêu cầu thuần túy khoa học như vậy, tôi đang nghiên cứu, ngoài nhiều thiện cảm cá nhân, một trường đại học, và không kém phần quan trọng, bài toán.