Proč se učit fyziku?

Žijeme v době, kdy je náš život zcela závislý na technice. Stačilo by na několik dnů vyřadit z provozu elektrickou síť a naše civilizace by se zhroutila. Nikdo neví, jaká bude budoucnost. Jak budeme vyrábět energii? Budeme jezdit v elektromobilech? Jak uživí naše planeta přibývající množství lidí? Převezmou manuální práci roboti? Ať už bude budoucnost jakákoliv, zdá se, že význam vědy a techniky bude ještě větší než dnes. Základní znalosti fyziky jsou nezbytné v elektronice, strojírenství, stavebnictví, chemii, medicíně, informatice. I v případě, že z vás nebudou inženýři, nebylo by dobré aspoň tušit, na jakých principech věci kolem nás fungují?

Cílem samotného fyzikálního výzkumu ale nejsou praktické aplikace. Fyzika se snaží popsat a vysvětlit základní vlastnosti přírody, objevovat a zkoumat dosud neznámé jevy. Přesto spolu fyzika a technika neoddělitelně souvisí. Když v roce 1800 Alessandro Volta objevil první elektrický článek, nikdo neměl tušení, že by jeho objev mohl být k něčemu dobrý. Přesto máme nyní baterii v každém mobilu. Ani současné lithiové akumulátory ale nevyhovují svými parametry pro používání například v elektromobilech. Potřebovali bychom větší hustotu energie, nižší cenu, větší životnost… Možná, že revoluční objev na poli ukládání energie čeká právě na vás!

1.11 - Alessandro Volta představuje svůj elektrický článek Napoleonovi.
Zdroj

Čím se zabývá fyzika?

Ve čtvrtém a pátém století před naším letopočtem se řečtí filosofové začali zabývat otázkami, z čeho je složen svět a jakými zákony se řídí. Tuto dobu můžeme považovat za vznik fyziky jako základní přírodní vědy. Její název je odvozen od řeckého pojmu „fysis”, což znamená přirozenost/příroda, takže fyziku můžeme chápat jakovědu o přírodě. Teprve později vznikla potřeba nových oborů – chemie, biologie, geologie a dalších. Řečtí filosofové věřili, že pozorování přírody pomocí lidských smyslů a následné logické úvahy a diskuze je dovedou ke správným odpovědím. Lidé opustili mýty a legendy a snažili se pro přírodní jevy nacházet rozumová vysvětlení. Bylo ale běžné, že vedle sebe existovalo několik protichůdných vysvětlení přírodních jevů. To trvalo až do 16. století, kdy došlo k zásadní změně – teorie jsme začali ověřovat pomocí experimentů.

Víra v to, že přírodní zákony je možné lidským úsilím odhalit, zůstala. Lidé ale dospěli k tomu, že přírodu je třeba zkoumat systematicky. V roli „soudce“, který rozhoduje o správnosti našich teorií, je od té doby experiment. Tento fakt se stal základem vědecké metody, k níž se ještě vrátíme později. Od té doby platí, že příroda je popisována pomocí přesně definovaných veličin a měření se stalo podstatnou součástí fyziky. Znamená to, že dnešní fyzikální teorie jsou zaručeně správné? To bohužel nemůžeme říci. Albert Einstein to vyjádřil slovy: „Sebevětší počet experimentů nemůže dokázat, že mám určitě pravdu, ale jediný experiment může dokázat, že se mýlím“. To, kam jsme dnes došli v poznání základních zákonů přírody, je přesto obdivuhodný výkon. Stále jsou tu však otázky, na které neumíme odpovědět. A ukazují se nové jevy, o kterých jsme předtím neměli ani tušení.

1.12 – CERN – atlas. Dnes jsme se ve fyzice tak daleko, že nové objevy už těžko uděláte „doma v garáži“. Pokud tedy nemáte garáž velkou jako slušná tělocvična…
Zdroj
1.13 – V roce 2014 byla udělena Nobelova cena za fyziku za objev modré LED. To umožnilo využít LED také jako zdroj bílého světla. Bez modré totiž bílou nevytvoříte.
Zdroj

K čemu slouží fyzikální modely?

Existence jednoduchých fyzikálních zákonů ještě nezaručuje, že bude jednoduché také chování různých těles a jejich soustav. Uvažte třeba lidské tělo. Víme, že se skládá přibližně z 1027 atomů, které na sebe působí elektrickými silami. Díky obrovskému počtu atomů a jejich složitým vazbám nedokážete na základě fyzikálních zákonů nikdy popsat chování svých orgánů nebo dokonce předpovědět, co budete dělat zítra.

Ostatně pokud by to někdo dokázal, přestala by existovat vaše svobodná vůle. Realita je většinou příliš složitá na to, abychom ji mohli popsat přesně . Proto používá fyzika modely. Fyzikální model je přiměřené zjednodušení reality, které je dostatečně jednoduché, abychom ho dokázali zvládnout, a zároveň ještě vystihovalo podstatné vlastnosti daného systému.

A teď to nejdůležitější – modely nám umožňují předpovídat, co se stane v budoucnosti. Případně, jak by dopadly různé experimenty. Tohle je další obrovský přínos fyziky (a přírodních věd obecně) – modely nám říkají: pokud uděláš to a to, dopadne to tak a tak (máš-li ovšem k dispozici dobrý model). Lépe to uvidíme na několika příkladech.

1) Statika mostu

Dřív se stavělo na základě zkušeností. Dnes mají inženýři k dispozici modely využívající zákony mechaniky. Mohou si dopředu spočítat, jaké bude zatížení v navrhované konstrukci. To lidem umožňuje postavit nečekané a elegantní konstrukce, které by metodou pokus–omyl nikdy nevznikly.

1.14 – Golden Gate Bridge. Takto elegantní konstrukce jsou možné jen díky přesným modelům a výpočtům.
Zdroj

2) Sluneční soustava

Gravitační působení mezi planetami dokážeme popsat velmi přesně; známe dobře jejich polohy, planet není mnoho. Proto dokážeme velmi přesně předpovědět polohy planet i měsíců v budoucnosti. Například zatmění Slunce dokážeme předpovědět s velkou přesností na stovky let dopředu. V tomto modelu je úplně jedno, kde se právě nachází čtenář této knihy. Je zcela zanedbatelný. Stejně jako knihovna, kde si knihu otevřel.

3) Počasí

Jistě znáte mobilní aplikace, které vám ukazují předpověď počasí pro zvolenou polohu. Jak tyto předpovědi vlastně fungují? Moderní předpovědi počasí vychází z numerických modelů. Tyto modely rozdělí atmosféru na buňky o určitých rozměrech (cca 1 km) a počítají vývoj pohybu vzduchu, teploty a srážek v daném prostoru (např. Evropy). Model potřebuje nejprve přesná data o počátečním stavu atmosféry a na jejich základě výkonný počítač simuluje budoucí vývoj počasí. Pohyb vzduchu v atmosféře je ale příliš složitý a realita se od předpovědi modelu může lišit. S přibývajícím časem se odchylka zvětšuje, dobrá předpověď počasí obvykle platí pouze na tři dny dopředu. Zkuste se sami podívat na numerický model Aladin na stránkách Českého hydrometeorologického ústavu.

1.15 – Výstup z modelu Aladin – předpověď teploty.
Zdroj

Jak funguje vědecká metoda?

Vraťme se ještě jednou k vědecké metodě. Její princip vystihuje následující schéma.

1.16 – podstata vědecké metody. Provádíme experimenty a zobecňujeme jejich výsledky, abychom získali přírodní zákony. Z již objevených zákonů můžeme odvozovat, co se stane v konkrétních případech. Předpovědi je možné opět ověřovat pomocí experimentů.
Zdroj

Vědecká metoda je způsob, jak objevovat zákonitosti, podle nichž funguje náš (hmotný) svět. Je společným postupem jak v přírodních, tak společenských vědách.

Svět je natolik rozmanitý a zajímavý, že v nás odpradávna vzbuzuje otázky typu „jak to vlastně je?“, „proč se děje toto?“, „k čemu se to dá použít?“ A tak si my, zvědaví lidé, klademe otázky a hledáme na ně odpovědi. Nejdříve jsou to odpovědi nejisté, ničím nepodložené – říká se jim hypotézy: „…tuším, že tak nějak by to mohlo být“.

Jenže hypotéza nemusí být pravdivá. A proto se vědec pustí do experimentálního ověřování – zkouší platnost hypotézy ve všech možných situacích, které dokáže realizovat, a hledá, kde ještě by mohla hypotéza „nefungovat”. Ale pokud je hypotéza ve všech pozorovaných případech v souladu s tím, jak dopadne experiment, prohlásí ji za přírodní zákon. Pokud se ovšem najde nějaký (a stačí jediný) případ, kdy hypotéza selže, musí ji zavrhnout a hledat lepší vysvětlení pro tento svět. I když vědec stokrát měří a pozoruje, pořád ještě nemá jistotu, že při stoprvním pokusu hypotézu třeba vyvrátí… Správně tušíte, že přírodní zákony se nedají „dokázat“ s definitivní platností; přesto nám vědecká metoda dává možnost, jak bezpečně poznat, které představy o světě jsou chybné.

Protože je svět pestrý, fyzikálních zákonů existuje obrovské množství. Teoretičtí fyzikové se v nich snaží udělat pořádek: najít co nejjednodušší způsob, jak zákony vyjádřit, nalezením společného a co nejjednoduššího východiska pro všechny zákony. Tím vzniká fyzikální teorie jakožto logicky uspořádaná a do souvislostí daná soustava poznatků o naší přírodě. Jakmile jednou správně pochopíme „jak?“ a „proč?“, dokážeme správně předpovídat její chování. Scientia potentia est – vědění nám dává moc.

Poznámka na okraj: Ukázka použití vědecké metody

Kdo někdy zkoušel pouštět kamínky do studny, tak si zajisté všiml, že u hluboké studny musí na žbluňknutí čekat déle než u mělké. Můžeme tento jev testovat experimentálně? Dá se pomocí kamínku určit, jak je studna hluboká? Jak souvisí doba pádu a výška, z jaké těleso padá? Budeme postupovat v souladu s vědeckou metodou:

Jako první nás asi napadne Hypotéza 1: Čím větší výška, tím větší čas (přímá úměrnost).

Zkusme měřit dobu pádu kamene z různých výšek nad zemí:

Výška (m) Čas (s) Čas
1 0,45 \(t_1\)
2 0,64 \(1{,}4t_1\)
3 0,78 \(1{,}7t_1\)
4 0,9 \(2t_1\)
9 1,35 \(3t_1\)

Když se výška zvětšila dvakrát (z 1 m na 2 m, nebo z 2 m na 4 m), čas se nezvětšil dvakrát. Přímá úměrnost neplatí. Hypotézu 1 musíme zavrhnout.

Můžeme si všimnout, že když se čas zdvojnásobí, je výška čtyřikrát větší – to je přece chování kvadratické funkce! Navrhneme Hypotézu 2: Výška je úměrná času na druhou.

Z hlavy ověříme, že tato hypotéza funguje pro výšky 4 m a 9 m. Pro jiné výšky by se nám hodilo závislost šikovně zapsat: \(s=4{,}9t^2\). S kalkulačkou byste ověřili, že tento vzorec platí pro všechny změřené časy – čili Hypotéza 2 je zákonem volného pádu na Zemi.

Tak jsme tu objevili jednoduchý fyzikální zákon pro pád těles, podobně jako to kdysi udělal Galileo Galilei, který je považován za průkopníka vědecké metody. Isaac Newton pak přišel s geniálním nápadem, že stejná síla, která přitahuje kameny k Zemi, by měla působit také na Měsíc a vůbec mezi všemi tělesy ve vesmíru. Trvalo ještě nějakou dobu, než byla jeho hypotéza potvrzena a vzniknul gravitační zákon. Ten se opět zapsal do dějin fyziky, neboť šlo o první fyzikální zákon, jehož platnost se týkala celého vesmíru.

Lidé někdy nerozumí podstatě vědecké metody správně. Nevědecké není to, co nedokážeme teoreticky vysvětlit (teorie může být špatná nebo ji vůbec nemáme). Nevědecké je to, co není podloženo pozorováním nebo experimentem. Úplně jasné to bude v následujícím příkladu.

Příklad 1
Představte si, že za vámi přijde člověk, který dokáže léčit určitou nemoc pomocí tablet, které obsahují 1024 krát zředěný hadí jed. Toto ředění je tak silné, že ve většině tablet už není ani jedna molekula jedu, jsou tam jen pomocné látky. Navrhněte postup, jak pomocí vědecké metody budete schopni rozhodnout, zda je navrhovaná léčba účinná.
Řešení:

V zadání je popsán základ homeopatické léčby. Pro rozhodnutí o účinnosti není podle vědecké metody rozhodující teorie, ale experiment. Není tedy podstatné, co si myslíte o mechanismu účinku takového léku. Musíte provést průkazný experiment. Mohli bychom například sledovat dvě dostatečně velké skupiny pacientů. Jedné skupině podáme zkoumaný lék a druhé nikoliv a poté porovnáme jejich zdravotní stav. Zjistíme-li podstatný rozdíl mezi skupinami, můžeme říct, že lék je účinný.

Poznámka: V tomto případě vám zkomplikuje práci efekt zvaný placebo. Jde o to, že významný pozitivní dopad na pacientův zdravotní stav může mít pouhé vědomí toho, že mu byl podán lék. Proto se u testování léků používá vždy kontrolní skupina, které je místo léku podávána pouze pilulka bez účinné látky.

Co fyzika nedokáže?

Fyzika spolu s dalšími přírodními vědami dokázaly postupně vysvětlit obrovské množství jevů kolem nás do nejmenších detailů. Technické aplikace změnily náš svět k nepoznání. Přesto je dobré mít na paměti, že fyzika (nebo věda obecně) je ze své podstaty omezená jen na určitý druh otázek a problémů. Limity fyziky vychází z toho, co jsme napsali v této kapitole, a nyní je shrneme.

  1. Vědecké teorie nejsou zaručeně správným popisem reality. Vychází totiž pouze z nám dostupných pozorování a omezených schopností naší mysli. Vždycky se mohou objevit nové poznatky, díky nimž budeme muset své teorie změnit.
  2. Fyzikální modely nemohou nikdy popsat realitu zcela přesně, zejména v případě složitých systémů. Proto například není možné předpovědět počasí na měsíc dopředu nebo s jistotou určit, jaké číslo padne při hodu kostkou.
  3. Přírodní vědy dokáží zkoumat pouze jevy, které jsou měřitelné a experimentálně dostupné. Často se setkáváme s otázkami Co bylo před stvořením vesmíru? Co je za jeho hranicemi? nebo dokonce Stvořil vesmír Bůh? Tyto věci jsou ale mimo naše pozorování, nelze je ověřit experimentem, a tudíž patří do filosofie. Rovněž pojmy štěstí, krása, dobro, zlo… zůstávají mimo přírodovědný popis, protože nejsou měřitelné. A přesto pro život velmi podstatné! Pokud vědec například pracuje na konstrukci atomové bomby, může pomocí fyziky předpovědět její účinky. Ale na otázku „je použití bomby správné?” fyzika žádnou odpověď nedává .