Fyzika v popkultuře a jak s ní pracovat ve vyučování

Vědci a kvalitní vědečtí popularizátoři nás varují, že špatná popularizace vědy znamená pokles do takzvané vulgarizace vědy. Věda v popkultuře má často právě tento charakter. V rámci školní výuky ale mohou učitelé postupovat opačným směrem než „vědečtí vulgarizátoři“ a to tak, že uchopí existující plytký mediální odkaz z popkultury a využijí jeho vlivu jako motivace pro zájem o vědeckou podstatu skrývající se za daným obrazem. Je to užitečné nejen pro výuku, ale i pro samotný historický odkaz vědců a myšlenek skrytých za symboly popkultury. 

Albert Einstein

Autor díla: Zdeněk Hromádka

Nedávno jsem provedl čistě amatérský průzkum. Vzorek populace (žáci druhého stupně základní školy), na kterém jsem jej prováděl, byl malý a špatně vybraný. Výsledek, jakkoli jej nemohu zobecňovat na populaci, mi přesto přišel zajímavý. Každý žák, kterého jsem oslovil, znal jméno Albert Einstein a věděl, že se jedná o významného vědce. Albert Einstein byl nejspíš první opravdový vědec [1], který se stal celosvětovou celebritou (napříč politickými bloky) a jednou z ikon popkultury. O Einsteinovi se žertovalo už při forbínách divadla ABC, Andy Warhol namaloval jeho slavný portrét, točily (a točí) se o něm filmy a seriály, jeho fotografie si lidé vylepují na zdi a zdobí jimi stránky časopisů a odborných, populárních i pokleslých publikací. Jeho většinou vlídné karikatury zaplavily svět a reference na něj se objevují v nejrozmanitějších textech i animovaných filmech.

Jaké byly příčiny toho, že se právě on dostal do obecného povědomí lidstva, ponechme stranou, a soustřeďme se na to, že je to především mimořádně úspěšný fyzik, jehož specifickou tvář, knír a hřívu zná celý svět. Osobně se domnívám, že právě proto, že se jedná o symbol, na který budou žáci narážet celý život, měli by vedle jeho známé tváře a nepravdivého obrazu šíleného, excentrického vědce, znát i něco z jeho humanistických myšlenek (formulovaných například v publikaci Jak vidím svět), ale především z obsahu jeho vědecké práce. Zrovna v případě Alberta Einsteina to není úplně obtížné. Výsledky jeho práce v oblasti fyziky se totiž promítají i do učiva na druhém stupni základní školy. A to především v následujících tématech:

• Látky a tělesa. Pro dosažení požadovaného výstupu (žák „uvede konkrétní příklady jevů dokazujících, že se částice látek neustále pohybují a vzájemně na sebe působí“, RVP ZŠ, s. 63) se obvykle vedle difuse uvádí také Brownův pohyb. Jeho fyzikální podstatu odhalil právě až Albert Einstein ve svém „roce zázraků“ 1905.
  
  
• Vlastnosti světla. Pokud se učitel hodlá ve vyučování zmínit o fotovoltaických článcích (například při realizaci průřezového tématu environmentální výchova v souvislosti s učivem Obnovitelné zdroje energie), neměl by opomenout, že na počátku této technologie stál Albert Einstein. Teoreticky totiž vysvětlil fotoelektrický efekt, tedy jev, kdy při osvícení kovu světlem (nebo jiným elektromagnetickým zářením) se z něj začnou uvolňovat elektrony, což je možné v důsledku využít jako zdroj elektrického napětí. Za tento objev obdržel Einstein Nobelovu cenu za fyziku. To bylo pro Einsteina i pro mnoho dalších fyziků překvapení. Očekával sice, že Nobelovu cenu dostane, ale domníval se, že to bude za teorii relativity. Za tu mu ovšem Nobelova cena nikdy udělena nebyla (Horský 1998 s. 15).
  
  
• Pohyb těles, síly. Pokud děláme seznam oblastí fyziky, které významným způsobem ovlivnil Albert Einstein, pak vlajkovou lodí mechaniky je zmíněná teorie relativity. Teorie relativity pro svou obtížnost na základní školu úplně nepatří. Ale přeci jen je tato teorie tak zajímavá a tak významně spjatá se jménem Albert Einstein, že by žáci měli opouštět základní školu přinejmenším s jistým povědomím, o jakou teorii se jedná (alespoň v případě speciální teorie relativity). Ve článku pro Metodický portál RVP.CZ s názvem Teorie relativity na základní škole? ukazuji, že je možné některé vztahy vyplývající ze speciální teorie relativity využít při procvičování učiva úpravy algebraických výrazů v matematice. Při tom žáci mají možnost uvědomit si některé zajímavé a přesto poměrně srozumitelné důsledky teorie relativity: Že pro různé pozorovatele platí odlišný čas, pro vnějšího pozorovatele se mění délka i hmotnost velmi rychle se pohybujícího tělesa, atd. Článek, který k tomuto tématu Einstein publikoval, se ovšem nejmenoval Speciální teorie relativity, ale O elektrodynamice pohybujících se těles (a i tentokrát publikoval zmíněný fundamentální objev ve svém „roce zázraků“ 1905).
  
  
• Energie. Slavná rovnice, kterou lidé nosívají na tričku a která se obvykle přidává k portrétům a karikaturám Alberta Einsteina, zkrátka slavná rovnice, jejíž tvar zná celý svět (ale zdaleka ne všichni vědí, co znamená), vyjadřuje vztah mezi hmotností tělesa a energií, neboli:

E = mc²

E - energie hmoty

m - hmotnost tělesa

c - rychlost světla ve vakuu (300 000 000 m.s^-1)

Tato klíčová rovnice (mimořádně jednoduchá!) se dá na základní škole dobře využít například u tématu Energie (učivo: jaderná energie, štěpná reakce, jaderný reaktor; RVP ZŠ s. 65)

Velký třesk

Autor díla: Zdeněk Hromádka

Velký třesku (Big bang) je teorie natolik závažná a převratná a její název je tak úžasně úderný, že dost dobře nemohla neproniknout do světa popkultury. Svědčí o tom nejen nesmírně úspěšný americký sitcom se stejným jménem, ale i obrovská spousta odkazů na tuto teorii v mediálním světě. Je tedy jasné, že se s tímto pojmem žáci druhého stupně základní školy ve svém životě potkají a je na učitelích, aby jim byli schopni jednoduše vyložit, o čem je řeč, když se řekne komiksově znějící slovní spojení BIG BANG.

I teorie velkého třesku se odkazuje k Einsteinovi, nikoli ovšem přímo. Na počátku stál ruský matematik Alexandr Fridman, který na základě Einsteinovy obecné teorie relativity odvodil, že vesmír by neměl být statický, ale měl by se buď rozpínat, nebo smršťovat [2]. Astronomický důkaz o rozpínání vesmíru podali později belgický astronom Georges Edouard Lemaître a americký astronom Edwin Hubble [3]. Vesmír se tedy rozpíná a z toho lze usoudit, že kdysi musel být menší a hustší. Tuhle myšlenku zpočátku silně odmítal slavný fyzik Fred Hoyle a posměšně ji nazval slovním spojením „Big bang“.

Tento původně pejorativní název se kupodivu ve vědě ujal a dnešní fyzika jej bere naprosto vážně. Kosmologická teorie velkého třesku je velmi dobře rozpracovaná a výmluvně popisuje vývoj vesmíru od jeho počátku po současnost. Stručně řečeno tvrdí, že vesmír má svůj počátek (před 13,8 miliardami let) a od té doby se proměňuje (především rozpíná a chladne). Z kosmologické teorie velkého třesku se také odvozuje vývoj hvězd. Hvězdy a jejich složení je téma, které patří do učiva fyziky podle RVP. Otázkou je, do jaké hloubky je možné zabývat se na základní škole teorií o složení a původu hvězd. Je jisté, že to musí probíhat pouze na kvalitativní úrovni.

Stephen Hawking

Autor díla: Zdeněk Hromádka

Další skvělou osobností fyziky a médií po Einsteinovi je nepochybně britský teoretický fyzik Stephen Hawking, jehož odkaz pro laickou veřejnost spočívá především v příkladu obdivuhodného souboje lidského intelektu a vůle s přísnou diagnózou nemoci ALS, která génia postupně zbavovala schopností pohybu i řeči. Hawking navzdory osudu dokázal produkovat převratné objevy a skvělé přednášky na univerzitách celého světa. Jeho charakteristická osobnost se otiskla i do popkultury (objevil se například osobně v již zmíněném seriálu Teorie velkého třesku nebo jako postava animovaného seriálu The Simpsons). Navíc se silně angažoval i v oblasti popularizace vědy (například publikace Stručná historie času, Stručnější historie času, Vesmír jaký je, atd.). A podílel se i na knihách určených výhradně dětským čtenářům. Žáci druhého stupně tedy většinou Stephena Hawkinga znají jako postavu zázračného génia na invalidním vozíku. Co by ale měli vědět o jeho fyzikálním odkazu?

Osobně se domnívám, že v případě výsledků práce Stephena Hawkinga se toho do učiva základní školy příliš mnoho převést nedá. Je to velmi složitá teoretická fyzika pracující s pojmy, které žáci na základní škole většinou neznají. Proto je vhodné se omezit jen na některé oblasti fyziky, kterými se Hawking zabýval:

• Černé díry (v kontextu RVP pro ZŠ může představovat toto téma rozšíření učiva Hvězdy – a jejich složení RVP ZV). Zjednodušeně řečeno je Černá díra těleso (může to být například poslední vývojová fáze nějaké velmi hmotné hvězdy), které má tak velkou hmotnost, že při jeho gravitačním kolapsu gravitace nepustí ven ani světlo (proto černá). Dnes se pokládá za prokázané, že se velmi hmotné černé díry vyskytují ve středech galaxií (popř. hvězdokup). Existenci černé díry teoreticky předpověděl německý fyzik Schwarzschild. Vycházel při tom z Einsteinovy obecné teorie relativity, která mimo jiné popisuje, že gravitace ovlivňuje světlo (ohýbá světelné paprsky) [4]. Podle obecné teorie relativity by se hmota velmi hmotného tělesa měla zhroutit sama do sebe a vytvořit singularitu, tedy místo, uvnitř kterého zakřivení prostoročasu i hmotnost tělesa nabývá nekonečných hodnot. Hranici černé díry představuje takzvaný horizont událostí, za kterým už není možné odvrátit těleso od pádu černé díry (úniková rychlost by musela být větší než rychlost světla). V blízkosti černé díry (horizontu událostí), jak vyplývá z obecné teorie relativity, se zpomaluje čas.
  
  
• Vědecká práce Stephena Hawkinga je spjatá především s výzkumem černých děr. Objevil mimo jiné, že černé díry nejsou „úplně černé“, ale že na horizontu událostí dochází k emitování tepelného záření (Hawkingovó záření) a „vypařování černých děr“.

Schrödingerova kočka a ponožky profesora Bertlmanna

Autor díla: Zdeněk Hromádka

Když po mně žáci ve vyučování chtěli, abych jim vysvětlil, co znamená pojem „Schrödingerova kočka“ (jelikož se s ním opakovaně setkali v médiích), byl jsem značně zaskočený. Myšlenkový experiment se Schrödingerovou kočkou totiž patří do sféry kvantové mechaniky a pro vysvětlení tohoto experimentu je třeba pracovat s pojmy, které jsou většinou žákům druhého stupně základní školy naprosto neznámé. Čím začít?   

Světlo není pouze vlnění, ale je rovněž reprezentováno částicemi (fotony). Není tedy vyzařováno spojitě ale ve skocích (kvantech). Z takzvaného experimentu na dvojštěrbině vyplývají velmi pozoruhodné vlastnosti kvantového světa. Zdá se, že foton (ale i například elektron či jiné částice) jsou reprezentovány nelokalizovanou vlnovou funkcí, kterou popsal Erwin Schrödinger. Ta vyjadřuje superpozici dané částice v prostoru, tedy jakousi oblast pravděpodobnosti jejího výskytu. Tato funkce ovšem zkolabuje v momentě, kdy je pozorována. V ten okamžik se teprve začne vlnová funkce chovat jako skutečná a jasně lokalizovaná částice, ale její konkrétní poloha závisí, jak se zdá, čistě na náhodě (pravděpodobnosti). Tohle zjištění řadu vědců znepokojovalo. Superpozice, tedy stav, kdy částice současně je a není v nějaké oblasti, a uskuteční se na určitém místě pouze na základě pravděpodobnosti po té, co je pozorována, byla (a je) pro fyziky velkým tématem.

Autor koncepce vlnové funkce pro kvantovou fyziku je Erwin Schrödinger. Navzdory svým úspěchům na poli kvantové fyziky pociťoval k jejím závěrům značnou skepsi. Což vyjadřuje nástin jistého myšlenkového experimentu s kočkou. Jelikož se jedná o čistě myšlenkový experiment, je mnohem méně morbidní, než se na první pohled zdá. Ukazuje, jak nepřirozený je svět kvantové fyziky, když se ze světa kvant přenese důmyslným způsobem do makrosvěta.

Schrödingerův experiment spočíval v tom, že dáme do krabice kočku a ampuli s prudkým plynným jedem. Jed je vypuštěn ke kočce na základě čistě kvantového procesu (Schrödinger navrhl radioaktivní rozpad nějakého radionuklidu tak, aby za hodinu byla šance rozpadu 50 na 50). Pokud detektor zaznamená rozpad, vypustí mechanismus jed. Podle kvantové teorie by byl po hodině celý systém v superpozici. To znamená, že rozpad současně proběhl a kočka je mrtvá, a zároveň neproběhl a kočka je stále na živu. Tato situace se vyjasní až v momentě, kdy pozorovatel otevře krabici a podívá se na kočku. Ale do té doby, než tak učiní, je podle kvantové mechaniky kočka zároveň živá i mrtvá (nikoli živá nebo mrtvá!). A to je divné (srv. Gribbin 2001, s. 38). Tragická situace Schrodingerovy kočky je často na grafikách předváděna jako westernový plakát s hledamým zločincem s poznámkou Dead and alive (nikoli Dead or alive).

Einstein, přestože hrál klíčovou roli u vzniku kvantové fyziky, se s jejími podivnými zákonitostmi (zejména s jejím nedeterministickým, náhodným charakterem) odmítal smířit, což dokládá jeho slavný argument významnému kvantovému fyzikovi Nielsi Bohrovi: „Bůh nehraje v kostky.“ Bohr mu na to lakonicky odpověděl: „Neraď Bohu, co má dělat.“ Což se dá interpretovat tak, že Bohr respektuje pozorované podivnosti kvantové fyziky a uznává je jako platné, jakkoli jdou často proti intuitivnímu rozumu. Einstein byl naopak přesvědčen, že za těmito podivnostmi je nějaký dosud neobjevený řád, který, až bude objeven, vše vysvětlí lépe a jasněji.

To nám mohou připodobnit ponožky profesora Bertlmanna. To je skutečný vídeňský kvantový fyzik, který důsledně nosí ponožky tak, že má vždy na nohách ponožky různé barvy. Pro vnější pozorovatele se zdá, že se barvy ponožek nacházejí v superpozici až do okamžiku, než Bertlmann nadzdvihne jednu nohavici a realizuje se jedna z možností (vlnová funkce zkolabuje). Díky zdánlivému kvantovému propojení můžeme okamžitě určit (bez dalšího pozorování), že druhá ponožka má jinou barvu než ponožka předvedená. Superpozice je ovšem jenom zdánlivá, protože existuje pozorovatel (sám Bertlmann), který celou dobu ví, jaké barvy se realizují. Ale je to tak i u kvantového světa? Bude někdy možné určit dopředu nikoli s pravděpodobností, ale s jistotou, kde se vyskytne daná částice? Zatím to vypadá, že spíš ne.

Když jsem se o tomhle pokoušel hovořit před žáky druhého stupně základní školy, myslím, že to moc úspěšná lekce nebyla. Ale jsem přesvědčen, že podivnosti moderní fyziky mohou přinejmenším probudit zvědavost o tuto skvělou disciplínu.

Závěr

Fyzika, podobně jako jakýkoli jiný předmět, není vyučována někde v „izolované soustavě“. Takže z vnějšího světa (a tím je dnes zejména svět médií) k žákům přicházejí nejrůznější a často falešné obrazy o vědě a vědcích. Osobně se s existencí fyzikálních symbolů ve světě médií a v popkultuře vypořádávám tak, že aktivně nabádám žáky, aby si sami připravovali referáty a prezentace o populárních vědcích, vědkyních a mediálních symbolech vědy a přispívali tak k vytváření přesnějších a pravdivějších představ o vědě.