— Published on 22/06/2020 / Bug.hr.
Cilj fizike je razumjeti svijet na temelju eksperimentalnih potvrda naših ideja o tome kako taj svijet funkcionira; fizičari koriste matematiku, provode mjerenja, aproksimiraju i uživaju u svemu tome
Kad pišem o novim otkrićima u fizici i astronomiji, ili o tome držim javna popularizacijska predavanja, često gradim kule u zraku. Naime, većinom tumačim nove fenomene, instrumente i metode da bi na kraju spoznao da čitateljima/slušateljima nedostaje neki važan dio slagalice koji se tiče temeljnih koncepcija iz fizike. Zato sam se odvažio napisati jedan sustavni niz tekstova o ključnim idejama iz fizike koji bi zainteresiranim laicima omogućili da popune svoje rupe u znanju, kako bi na solidnijim temeljima dalje oblikovali svoju znanstvenu sliku svijeta. Nit vodilju za ove tekstove vučem iz udžbenika Cutnell & Johnson, Physics 9th edition, knjige po kojoj predajem studentima. Naslov za cijeli ciklus isti je kao i naslov mojeg srednjoškolskog udžbenika Abeceda fizike. Ta knjiga sadrži dodatnu komponentu priče koju ovi popularizacijski tekstovi naravno nemaju – matematičku pozadinu.
.
Fizika kao umijeće aproksimacija
Kao prvo, fizika je prirodna znanost. To znači da do svojeg znanja dolazi na poseban način, postupkom koji učeno nazivamo znanstvenom metodom. Ta znanstvena metoda je prilično kompleksna stvar, široka do te mjere da mnogi znanstvenici tvrde sve ono što obuhvaća uopće nema zajednički nazivnik. Svejedno, smatram da je korisno pokušati opisati njezinu srž. Recimo, pojednostavljeni recept bi mogao ići ovako: postavi pitanje, formuliraj hipotezu, provedi eksperiment, prikupi podatke, izvuci zaključke. Pa onda modificiraj hipotezu i ponavljaj postupak. Do kada? Načelo zauvijek. Znanstveno znanje je uvijek provizorno i aproksimativno, što znači da nikad ne možemo reći da je konačno i apsolutno istinito. Uvijek je podložno propitivanju i promjenama. Za fiziku se konkretno kaže da je umijeće aproksimacija.
U svakom slučaju, središnji dio znanstvene metode je provjeravanje ideja. Fizičari to zovu eksperimentom. Ali eksperimente ne rade samo zato jer je to zabavno. Eksperiment služi tome da se hipoteza potvrdi. Ili opovrgne. Češće se događa ovo drugo. A svaki put kad se dogodi, fizičari imaju dužnost odreći se svojih ideja, jer su ispale glupe ili promašene. Tako to u fizici ide, ne baš od Atlantide nego od Galileija. Zato je Galileo Galilei od milja poznat kao "tata od fizike".
E sad, da stvar ne bi bila jednostavna postoje ljudi koji se s gornjim receptom ne slažu nego smatraju da se do pouzdanog znanja o svijetu može doći nekakvim mističnim uvidom. A tako stečeno znanje je navodno neupitna istina u koju ne treba sumnjati niti ju provjeravati. U nju treba vjerovati i prenositi ju s generacije na generaciju. Mislite da govorim o religiji? Možda. Zapravo sam ciljao na pseudoznanost. Princip je isti, a nijansa je u tome da se pseudoznanost uz sve navedeno još lažno predstavlja kao znanost. A lašca možete prozreti ako znate na što treba obratiti pažnju. Evo tri dobra indikatora: pseudoznanost polazi od autoriteta, pseudoznanost ignorira eksperimentalne rezultate i, možda najvažnije u kontekstu ove priče, pseudoznanost nije zainteresirana za razumijevanje fenomena.
.
Matematika kao jezik prirode
Da bismo se maknuli od mitološke razine tumačenja svijeta (pričanja priča) moramo u pojavama koje nas zanimaju prepoznati one karakteristike koje se načelno mogu mjeriti, izravno ili neizravno. Te karakteristike nazivamo fizičkim veličinama. Primjeri fizičkih veličina su: masa, vrijeme, energija, brzina, sila. Zatim trebamo uočiti koje su fizičke veličine za neku pojavu relevantne. Konačno, razumijevanje pojave i mogućnost predviđanja sastoji se u tome da fizičke veličine povežemo u neki odnos. Tu na scenu stupa matematika. Fizičke veličine povezane u neki odnos kolokvijalno, na srednjoškolskoj razini, nazivamo formulom. Na višoj razini govorimo o matematičkom modelu. U svakom slučaju treba nam matematika, ponekad jednostavna, ponekad vrlo zamršena, da bismo fizičke pojave zauzdali i svoje ideje testirali eksperimentom. No, to nije kraj priče.
.
Bez mjerenja nema znanosti
Matematika nam ne treba samo za formuliranje zakona (povezivanje fizičkih veličina u neki odnos). Treba nam i u postupku testiranja tih zakona. Preciznije rečeno, testiranja onih ideja koje će tek nakon brojnih eksperimentalnih potvrda eventualno biti prozvane zakonima. Konkretno, trebaju nam brojevi za postupak koji nazivamo mjerenje.
Mjerenje je naprosto uspoređivanje odabrane fizičke veličine neke pojave ili nekog objekta (recimo duljine jedne mrkve) sa standardom. A standard je dogovoreni iznos fizičke veličine. Ako je fizička veličina koju mjerimo duljina onda standard može biti jedan korak, ili jedna stopa, ili jedan palac, ili jedan metar. Te standarde nazivamo još i mjernim jedinicama. Mjerenjem određujemo omjer mjerene fizičke veličine i standarda, a taj omjer je broj. Drugim riječima, mjerenjem odgovaramo na pitanje koliko puta je mjerena fizička veličina veća/manja od standarda.
Take-home message za prvu od 32 lekcije Bugove Abecede fizike je: bez mjerenja nema fizike. Možete to zapamtiti kao parafrazu pučke izreke "bez muke nema nauke". Usput, spomenutu muku ne treba shvatiti kao roštiljanje na ognju paklenom nego kao trud potreban za obrazovanje. U svakom slučaju, nema muke ako radite zbog ljubavi prema fizici. For the love of physics je krasna knjiga Waltera Lewina iz koje sam preuzeo rečenicu za današnju glavnu poruku: "But there simply is no physics without measurements".