Fyzika v popkultuře a jak s ní pracovat ve vyučování

• 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

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

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

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.

[1] Podobnou (ale mnohem více problematickou) mediální ikonou vědy býval i legendární technik Nicola Tesla, který ovšem nebyl vědcem v akademickém smyslu slova (přestože obdržel celou řadu čestných doktorátů). O jeho aureolu zázračného vynálezce se bohužel nezasloužily ani tak jeho skutečné technické úspěchy (například asynchronní elektromotor, prosazování technologie střídavého proudu či objevy související s bezdrátovou komunikací), ale nesmysly a konspirační teorie (paprsky smrti, tajné fantastické zbraně či komunikace s mimozemšťany), které se kolem jeho osoby vytvořily a v mediálním světě žijí dodnes.

[2] Dlužno poznamenat, že sám Einstein z tohoto zjištění neměl žádnou radost a zpočátku tuto myšlenku důrazně odmítal. Podobně jako většina vědců té doby se domníval, že vesmír je statický (tedy z celkového hlediska stálý, neměnný a nekonečný jak v prostoru, tak v čase). Nakonec ovšem pod silou důkazů své vlastní teorie myšlenku o dynamickém vesmíru přijal.

[3] Hubble zjistil, že světlo ze vzdálených cizích galaxií se překvapivě posouvá k červenému spektru. To lze (na základě Dopplerova jevu) vyložit pouze tak, že se od nás (a samozřejmě také navzájem) galaxie vzdalují.

[4] I zde je dobré poznamenat, že sám Albert Einstein (alespoň zpočátku) nevěřil na existenci skutečných černých děr.

Literatura a použité zdroje

EINSTEIN, A. Jak vidím svět. Praha: Nakladatelství Lidové noviny, 1993. ISBN 80-7106-078-X.

GRIBBIN, J. Schrödingerova koťata. Columbus, 2001. ISBN 80-7249-045-1.

HAWKING, S. Stručná historie času. 2. vyd. Praha: Argo, 2007. ISBN 978-80-7203-946-3.

HAWKING, S. Vesmír v kostce. 1.. vyd. Praha: Argo, 2002. ISBN 80-7203-421-9.

HORSKÝ, J. Einstein, genius lidstva. Praha: Prometheus. ISBN 80-7196-093-4.

Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání. Praha: MŠMT, 2017.