НУЖНА ЛИ ФИЗИКА ПРОГРАММИСТУ?

Нужна ли физика программисту?

В. И. Ивлев

Перед началом изучения нового учебного предмета ученик должен прежде всего понять – кому и зачем это нужно?

Каким специалистам и зачем нужна физика?

Необходимость изучения физики в современной школе обусловлена, главным образом, двумя причинами. Во-первых, физика изучает наиболее фундаментальные явления и законы природы, формирует основы научной картины мира. Эти законы универсальны и справедливы как для неживой, так и для живой природы. Законы физики – это законы природы, справедливые всегда и везде. Этим законам подчиняются атомы и песчинки, камни и растения, животные и их группы, отдельный человек и сообщества людей.

Во-вторых, в основе практически всех технических устройств, как уже работающих, так и тех, которые будут когда-либо созданы, лежат физические явления. Физика – основа теоретической подготовки специалистов всех технических специальностей.

В-третьих, именно в физике вводятся большинство количественных характеристик объектов и явлений – величины.

Межпредметные связи

Математика и физика связаны воедино, даже кандидаты и доктора наук физико-математических. Математика для физиков – язык, инструментарий. Современные физические теории невозможны без использования специального математического обеспечения. Физика дает математикам идеи, например, основы математического анализа создавались первоначально для описания механического движения.

Химия. Строение и взаимодействие молекул, химические реакции обусловлены электромагнитным взаимодействием, законы которого изучает физика. Основная задача современной химии – разработка и получение (синтез) новых материалов. Эта задача решается на основе применения законов физики (прежде всего термодинамики и квантовой механики) и физических методов экспериментального исследования.

Биология, медицина. Жизнедеятельность живых объектов связана с физическими процессами: движение соков в растениях и крови в животных, электрические импульсы в нервной системе.

Гуманитарные науки.

История. На ход исторических процессов большое (иногда и определяющее) влияние оказывают природные условия и явления, которые, в свою очередь, управляются законами физики. Лев Николаевич Гумилёв — советский и российский учёный, археолог, географ, историк, этнолог, философ во вводной части своей книги «От Руси до России» пишет: «пространство – первый параметр, который характеризует исторические события. Ещё первобытный человек знал границы территории своего обитания, так называемый кормящий и вмещающий ландшафт, в котором он жил сам, жили его семья и его племя. Второй параметр – время. Каждое историческое событие не только где-то, но и когда-то. Те же первобытные люди вполне сознавали не только своё место, но и то, что у них есть отцы и деды и будут дети и внуки».[1]

Полководец, планируя предстоящую битву, обязан учитывать особенности местности, время года и суток, где и когда битва будет происходить. Воин должен хорошо знать свойства своего оружия, а это свойства в основном физические.

Обществознание. Движение большого скопления людей во многом подчиняется тем же законам, что и движение молекул.

Длительное устойчивое состояние любой системы определяется балансом двух противоположно действующих физических принципов (законов): минимальной энергии взаимодействия и максимальной энтропии. Взаимодействие, т. е. согласованное действие, приводит к упорядочению, но требование максимальной энтропии не дает возможности осуществить полное (абсолютное) упорядочение – идеальный порядок.

В общественном (государственном) устройстве максимальному упорядочению соответствуют тоталитаризм и автократия, максимальному беспорядку – анархия. Действие в природе двух указанных mini-max-принципов приводит к ограничению существования этих общественных устройств в пространстве и времени.

Криминалистика. Криминалист, следователь – специалист, который занимается изучением следов преступления. Следы остаются в результате взаимодействия преступника с окружающей средой. Криминалист должен знать свойства объектов, способных изменяться под действием человека и сохранять эти изменения в течение некоторого времени.

Правоведение, законотворчество. Законодатели устанавливают требования к поведению людей, регулирующие взаимодействия людей друг с другом и с окружающим миром. Но эти требования постоянно нарушаются! Например, пешеходы часто перебегают автомобильную дорогу там, где это запрещено правилами уличного движения (ПДД). В городе с хорошими тротуарами всегда можно обнаружить тропинки, протоптанные пешеходами мимо тротуаров. В чём же дело? Оказывается, всё это проявления одного из фундаментальных свойств, заложенных природой в мозг животных и человека – принципа наименьшего действия. В соответствии с этим принципом неосознанные действия человека совершаются так, чтобы нужная цель (например, дойти до нужного места) была достигнута за кратчайшее время и при этом затрачено наименьшее количество энергии.

Принципиальное отличие законов физики (законов природы) в том, что они ненарушимы, в отличие от законов юридических, установленных людьми. Специалисты, занимающиеся законотворчеством, должны помнить, что юридические законы не будут нарушаться лишь в том случае, если они не противоречат законам природы, т. е. законам физики.

Экономика. Термин «экономика» определяетсякак хозяйственная деятельность, а также совокупность общественных отношений, которые складываются в системе производства, распределения, обмена и потребления товаров и услуг.[2] В основе экономики лежат два важнейших закона физики: законы сохранения вещества и энергии. Нельзя произвести продукции больше (по массе), чем имеется исходных материалов. Количество произведенной человеком работы не может быть больше запасенной в его организме энергии.

Психология. Реакция человека или сообщества людей на внешнее воздействие во многом определяется принципом Ле-Шателье – Брауна – Ленца, согласно которому в любой системе, подвергающейся внешнему воздействию, возникают процессы, стремящиеся ослабить это воздействие.

Музыка. Музыкальный строй – это система соответствия ступеней музыкального звукоряда звукам определенной частоты.  Музыкальные интервалы определяются как отношения длин звучащих участков струны. Абсолютный музыкальный слух связан со способностью человека различать и воспроизводить звуки разной частоты.

А Эйнштейн играл на скрипке!

Живопись. Леонардо ди сер Пьеро да Винчи – гениальный итальянский художник и ученый – активно изучал световые явления, что дало ему возможность написать высочайшие произведения живописи. Всем известна картина Леонардо да Винчи «Мона Лиза». При её написании Леонардо использовал в качестве грунтовки свинцовые белила, которые отражали лучи света, проходящие через прозрачную лазурь и тонкие слои масляной краски и позволяли усилить ощущение глубины.[3]

Архитектура. Анри Луи Огюст Рикар де Монферран, не зная блестяще законы динамики, не смог бы создать шедевр архитектуры – Исаакиевский собор, и не смог бы поставить «Александрийский столп», с которым сравнивал своё творчество Александр Сергеевич Пушкин, который «наше всё».

Великий Альберт Эйнштейн, создавая свою модель пространства-времени, чувствовал и понимал красоту мира не хуже (а может быть и лучше) своих современников Сезанна или Малевича.

Михаил Ломоносов – не только первый русский по-настоящему учёный, физик, химик, но и революционер в области русской словесности.

По мнению литературоведа и философа М. М. Бахтина основная задача гуманитарного исследования заключается в проблеме понимания речи и текста [4]. Речь – это звуки. Учение о звуке – акустика – часть физики. Текст состоит из слов. О словах-терминах шла речь в статье [5].

Резюме. Всё, что происходит в мире – явления. Явления происходят в пространстве и во времени. Любой человек живёт в пространстве и времени. Структуру и свойства пространства и времени изучает физика. Следовательно, во всём происходящем в мире, в том числе и с человеком, есть физика.

Зачем физика программисту?

Конечно, для того, чтобы пользоваться компьютером, не обязательно знать квантовую механику или теорию относительности в объёме кандида наук или даже магистра физики. Не нужно это и большинству программистов. Но…

Начнет с терминологии.

Программист – специалист, занимающийся программированием, то есть созданием компьютерных программ. [6]

Програ́мма (от греч.προ — пред, γράμμα — запись) — термин, в переводе означающий «предписание», то есть заданную последовательность действий. [7].Программирование в широком смысле – это создание инструкций (алгоритмов) для любой системы, способной их воспринять, т. е. написание программ, а в узком – создание инструкций для компьютера, то есть компьютерных программ.

Компью́тер (от лат.computare — считать, вычислять – функциональное устройство, способное выполнять значительный объём вычислений, включая многочисленные арифметические и логические операции, без прямого вмешательства человека. Является синонимом терминов «электронная вычислительная машина», «вычислительная система». [8]

Профессиональным стандартом «Программист» основная цель профессиональной деятельности определена как «разработка, отладка, проверка работоспособности, модификация компьютерного программного обеспечения». Тем же стандартом определены трудовые функции программиста. Первая из них: формализация и алгоритмизация поставленных задач для разработки программного кода.

Основные этапы решения задач с применением персонального компьютера. 1. Постановка задачи. 2. Разработка математической модели. 3. Выбор метода численного решения для расчетных задач. 4. Разработка алгоритма решения и структуры данных. 5. Реализация алгоритма в виде программы. 6. Отладка и тестирование программы. 7. Решение задачи на компьютере, численные эксперименты и анализ результатов. [9]

Задачу программисту ставит специалист из какой-то конкретной области. Но для того, чтобы понять задачу, программист должен иметь хотя бы основы знаний из этой области, чтобы не делать грубых (глупых) ошибок.

Откуда и как возникают задачи?

Человек – объект, часть природы. Одно из базовых положений физики – все объекты взаимодействуют друг с другом. Проблемы у человека возникают тогда, когда он почувствует, что в привычной ему системе взаимодействий возникло нечто, ему непонятное или неудобное. Возникает желание что-то изменить, исправить – задача.

В любой задаче есть объект (объекты), реальный или мыслимый (проектируемый). С этим объектом что-то происходит реально или может произойти, т. е. явление. Объекты могут быть природные (естественные), или созданные человеком (искусственные), это могут быть изделия, предприятия, организации, сообщества людей. Но общие (универсальные) свойства объектов и явлений изучает физика.

Естественно, решение задачи поручается специалисту в соответствующей области, например, инженеру. Инженер подключает к работе программиста. Совместно они составляют программу поиска и анализа информации по совокупности требований. Для взаимопонимания необходимо, чтобы программист достаточно хорошо владел терминологией инженера, а словарь инженера преимущественно физический. На всех последующих этапах создания нужного устройства у программиста будут свои задачи. Завершается его задача составлением программы управления устройствами (станками), которые реализуют программу получения изделия.

Программирование – моделирование, т. е. представление реального объекта в виде модели, т. е. другого объекта, более простого, но обладающего всеми существенными свойствами реального объекта. Компьютерная модель позволяет производить вычисления и за счет этого предсказывать поведение объекта с достаточной для практики точностью.

Ну и наконец! Негоже грамотному программисту не иметь представления о том, как работает его главный инструмент – компьютер, а компьютер – это не цифровое устройство, а физическое. Нет в компьютере никаких цифр. В современном компьютере есть только p-n-переходы, которые могут находиться только в двух принципиально разных состояниях, как обычный выключатель – «вкл» и «выкл». Или как морзянка – «точка» и «тире». Со временем наверняка появятся устройства, выполняющие функции современного компьютера (и другие), но использующие иные физические принципы.

Источники

1.Гумилев Л. Н. От Руси до России. АСТ*Астрель*Транзиткнига. 2005. – 416 с.

1.https://ru.wikipedia.org/wiki/Экономика.

2.https://artchive.ru/publications/4795~Samye_izvestnye_kartiny_Leonardo_da_Vinchi

3.Бахтин М. М. Автор и герой. К философским основам гуманитарных наук. СПб., 2000. – 544 с.

4.https://socpedagog13.edurm.ru/articles/16576-fizik...

5.https://ru.wikipedia.org/wiki/Программист

6.https://ru.wikipedia.org/wiki/Программа

7.https://ru.wikipedia.org/wiki/Компьютер

9.Бураков П.В., Косовцева Т.Р. Информатика. Алгоритмы и программирование. Учебное пособие.-СПб НИУ ИТМО, 2013. – 83с.

PS  Желательны комментарии и дискуссия!