— Published on 15/05/2011 / Zbornik 10. hrvatskog simpozija o nastavi fizike održanog 28. 4. 2011. u Zadru.
Koncepcije u fizici su složeni sustavi ideja kojima se više pojmova povezuje u jedinstvenu cjelinu s ciljem razumijevanja neke prirodne pojave. Bitna značajka takvih koncepata, koja učenicima često ostaje skrivena, jest njihova evolucija. Sve koncepcije u fizici s vremenom se razvijaju. Ponekad se tek neznatno dopunjuju ili uočavaju iz nove perspektive, a ponekad se drastično mijenjaju. Svijest o razvoju tih koncepata iznimno je važna za učenje fizike.
Jedan od primjera ogromne izmjene fizičke koncepcije bilo je Newtonovo poimanje sile. Aristotelovo shvaćanje sile kao uzroka gibanja održalo se približno dvije tisuće godina. Kako je bilo pogrešno, nije dovelo ni do kakvog napretka. Newtonovo uvođenje sile kao uzroka promjene gibanja odigralo je pak ključnu ulogu u razvoju moderne znanosti.
Drugi je primjer entropija – koncepcija koji se s vremenom često nadopunjavao i prikazivao u različitim kontekstima: od termodinamike (entropija kao mjera oslabljenosti sustava da obavlja korisni rad) do statistike (entropija kao mjera nereda u sustavu). Kako se radi o fizičkoj veličini koja je prilično daleko od intuitivne, učenicima entropija uglavnom ostaje nejasna. S druge strane, pomoću nje možemo izraziti drugi zakon termodinamike, jedan od najvažnijih fizičkih zakona u prirodi.
Fizičke koncepcije kao poveznice svijeta ideja i realnog svijeta
Fizičke koncepcije su složeni sustavi ideja koji povezuju fizičke pojmove. Fizički pojmovi su pak apstraktne tvorevine ljudskog uma kojima opisujemo pojedina svojstva fizičkog svijeta. To su, naprosto, oznake ili labele određenih svojstava fizičkog svijeta. Razlika između pojmova i koncepata nije uvijek čvrsto određena. I jedno i drugo su naše ideje o svijetu, no koncepcije su obično bitno složeniji sustavi (skupovi s dobrodefiniranim međuodnosima elemenata) ideja. Koncepcije u fizici ponekad nazivamo modelima ili teorijama. To nisu baš sinonimi, no u ovom kontekstu nema bitne razlika među njima.
Valja razlikovati stvarni, fizički svijet od našeg razumijevanja svijeta. Poveznice tih dvaju svijetova su upravo fizički modeli (ili teorije). Mi nikad nemamo izravnu vezu s realnošću nego link na realnost preko modela. U fizici ti modeli nisu proizvoljni nego su građeni na temelju opažanja i eksperimentalnih rezultata. Modeli nikad nisu potpuni, nikad nisu završeni. Na njima se neprekidno radi. Tako se dolazi do novih znanja. Taj neprekidni proces korigiranja znanja nazivamo znanošću.
Znanost kao neprekidni proces korigiranja znanja
Znanost je ljudska djelatnost kojom se prikuplja i organizira znanje. Znanost (lat. scientia) doslovno znači znanje. No, znanost nije bilo kakvo znanje. Ključ je u načinu prikupljanja znanja. Taj način mora biti provjerljiv i ponovljiv. Osim toga mora dovesti do objašnjenja i predviđanja o svijetu.
Znanstvenici kreću od pretpostavki (ili hipoteza) koje potom provjeravaju te odbacuju ili modificiraju (pa ponovo provjeravaju) ili privremeno prihvaćaju. Provjeravanje se sastoji od sustavnih opažanja i mjerenja. Ukratko, znanstvenici provode eksperimente, a ti eksperimenti moraju biti ponovljivi. Skup ovih postupaka nazivamo znanstvenom metodom. Na temelju tako prikupljenih podataka znanstvenici grade teorijske modele, a od modela zahtijevaju ne samo da se slažu s opažanjima, nego i da daju predviđanja. Znanost je, ukratko, provjerljiva, ponovljiva i daje predviđanja.
Znanost nije tek skup podataka (znanja), nije tek skup metoda (premda je znanstvena metoda ključna), nego je skup ideja o tome kako funkcionira svijet. A najvažnija karakteristika tog skupa ideja jest da je konzistentan, da nema unutrašnja proturječja. Nadalje, iznimno važna činjenica o znanosti, koja se nažalost propušta naglašavati u školama, jest stav znanosti da postoje samo prirodne pojave koje su, u principu, spoznatljive.
Kao rezultat višegodišnjeg učenja prirodoslovlja u školi učenik bi trebao usvojiti barem ove tri ideje: (1) sve pojave oko nas su prirodne pojave, a njih možemo razumijeti; (2) prirodu ne spoznajemo direktno nego uz pomoć modela ili koncepata; (3) koncepcije nisu bogomdani, uklesani u kamenu, to nisu nepromijenjivi zakoni, to su složene ideje koje se s vremenom mijenjaju, evoluiraju (razvijaju se one koje su u skladu sa sve boljim opažanjima, a propadaju one koje nisu u skladu s opažanjima).
Prvi primjer evolucije koncepata – sila
Sila je zgodan primjer razvoja fizičke koncepcije koji je imao dugu stagnaciju pa onda nagli prevrat i brzi razvoj. Starogrčki filozof Aristotel, jedan od najutjecajnijih filozofa u ljudskoj povijesti, smatrao je da nekakav utjecaj, sila, mora neprestano djelovati na tijelo kako bi se ono gibalo stalnom brzinom. Također je smatrao se da je prirodno stanje svakog tijela mirovanje. To njegovo mišljenje, izvedeno iz svakodnevnog iskustva koje nije uzimalo u obzir sve ključne čimbenike, održalo se više od dvije tisuće godina. A bilo je krivo.
Aristotel je, dakle, smatrao da je sila uzrok gibanja. Isaac Newton bio je prvi nakon Aristotela koji je drastično promijenio koncepciju sile. On je pokazao da za gibanje uopće nije potrebna sila. Međutim, ako sila djeluje na tijelo onda ona uzrokuje promjenu gibanja. Ta naizgled nevažna promjena poimanja sile: sila je uzrok gibanja → sila je uzrok promjene gibanja bila je jedan od pokretača naglog razvoja moderne fizike odnosno znanosti općenito.
Drugi primjer evolucije koncepata – entropija
Lijep primjer, premda prilično zamršen za učenike, je povijesni razvoj ideje entropije. Za razliku od sile, koncepcija entropije nije se s vremenom pokazao pogrešnim. Međutim, jako se proširio i isprepleo s drugim fizičkim pojmovima: od prvobitne definicije kao promjene topline pri stalnoj temperaturi (u okviru termodinamike) do konačne interpretacije kao mjere nereda u sustavu (u okviru statističke fizike). Kako se pomoću entropije izražava drugi zakon termodinamike, priča o entropiji zapravo je priča o drugom zakonu termodinamike.
Drugi zakon termodinamike (dalje u tekstu 2zTd) jedan je od neupitno najvažnijih zakona u prirodi. Nažalost, on je također i jedan od temeljnih zakona koji su najmanje poznati, kako učenicima tako i široj javnosti. Možemo ga izraziti na brojne načine, koji se svi svode na isto: primjerice preko toplinskog stroja, perpetuum mobilea ili entropije. No, prije svega valja spomenuti prvi zakon termodinamike i pojam energije. Energija je - uz prostor, vrijeme i tvar - jedan od najtemeljnijih pojmova u fizici. Svemir možemo opisati kao prostor-vrijeme koji se širi, a ispunjava ga energija-tvar. Osnovnoškolska definicija energije je: "sposobnost tijela da izvrši rad". A, rad (isto kao i toplina) je "energija u prijelazu". To je dio energije koji prijeđe s jednog tijela na drugo, ili s jednog dijela sustava na drugi.
Prvi zakon termodinamike opisuje što se događa s toplinom koju predamo sustavu: dio topline prijeđe u rad, a dio u unutrašnju energiju sustava. Ukratko, prvi zakon termodinamike tvrdi da se energija samo prerasporedi, ali ne nestane. On je, zapravo, samo posebni oblik općenitijeg zakona - zakona očuvanja energije - prema kojem je ukupna energija zatvorenog sustava stalna u vremenu: ne može se stvoriti (ni iz čega) niti uništiti (pretvoriti ni u što). Ključni dio tvrdnje odnosi se na zatvoreni sustav. Pod time mislimo na fizički sustav (skup materijalnih tijela i energije) koji je odvojen od okoline tako da ne izmjenjuje svoj sadržaj (ni energiju ni tvar) s okolinom.
Dakle, u zatvorenom sustavu energija se može neprestano pretvarati iz jednog oblika u drugi. Ali, postoji jedna poteškoća. Količina tih promjena je ograničena. U svakoj od promjena dio energije prijeđe u takav oblik koji više nije pogodan za nove prijelaze. Slikovito možemo reći da u zatvorenom sustavu energija "slabi" u obavljanju korisnog rada. Upravo to je 2zTd. Zatvoreni sustav u konačnici postiže stanje u kojem nikakve promjene više nisu moguće. To stanje nazivamo toplinskom smrću.
Od brojnih izričaja 2zTd vjerojatno je najjednostavniji onaj kojeg je, 1850. godine, formulirao njemački fizičar Rudolf Clausius: toplina ne može spontano prelaziti s tijela niže temperature, na tijelo više temperature. Može (kao što može i voda uzbrdo) samo u slučaju kad postoji vanjska sila, odnosno interakcija s okolinom. No tada sustav više nije zatvoren.
2zTd često se opisuje preko toplinskog stroja. Toplinski stroj je bilo koji uređaj koji toplinu pretvara u rad: od prvog učinkovitog parnog stroja koji je usavršio James Watt do motora zadnjeg modela Ferrarija. Krajnje pojednostavljeni toplinski stroj sastoji se od dvaju toplinskih spremnika: toplijeg i hladnijeg. Pri prijelazu energije (a tu energiju u prijelazu nazivamo toplinom) s toplijeg na hladniji spremnik, dio energije koji ne prijeđe na hladniji spremnik nazivamo radom. Da bismo dobili rad (taj dio energije koji nam je koristan) jedan dio topline mora prijeći na hladniji spremnik. Nije moguće načiniti toplinski stroj bez hladnijeg spremnika koji bi obavljao rad tako da crpi energiju samo iz toplijeg spremnika. Time ne bi bio narušen prvi zakon termodinamike, ali bi bio narušen drugi.
Nadalje, prva dva zakona termodinamike mogu se izraziti preko perpetuum mobilea - hipotetskog vječno pokretljivog stroja. Dakle, 1zTd: perpetuum mobile prve vrste nije moguć. Bio bi to stroj koji bi obavljao rad stvarajući energiju ni iz čega. 2zTd: perpetuum mobile druge vrste nije moguć. To bi bio stroj koji bi obavljao rad crpeći energiju iz toplijeg spremnika bez postojanja hladnijeg spremnika.
I konačno ono najvažnije, 2zTd najčešće se izražava pomoću entropije. Entropija je fizička veličina koja je daleko od intuitivne. Definirana je u termodinamici kao mjera "oslabljenosti" u obavljanju korisnog rada. Matematički, (beskrajno mala) promjena entropije odgovara omjeru (beskrajno male) promjene topline pri stalnoj temperaturi. Ukupna promjena entropije je zbroj svih malih promjena što se onda svodi na integral.
Austrijski fizičar Ludwig Boltzmann izrazio je tu istu entropiju, koristeći statističke metode, pomoću mikroskopskih stanja sustava. Poanta je u tome da pojedinom makroskopskom stanju sustava (koje možemo opaziti kroz mjerljive parametre) odgovaraju brojna mikroskopska stanja (koja odgovaraju unutrašnjim preraspodjelama čestica). Spontane promjene odvijaju se od manje vjerojatnih prema više vjerojatnim makroskopskim stanjima. U tom smislu entropiju možemo shvatiti kao mjeru nereda u sustavu. Dakle, 2zTd izražen preko entropije: ukupna entropija zatvorenog sustava ne može se, s vremenom, smanjivati. Može samo rasti. Drugim riječima - nered u zatvorenom sustavu može, s vremenom, samo rasti. Zatvoreni sustav spontano teži stanju većeg nereda.
Entropija je, nadalje, jedina fizička veličina koja je povezana sa smjerom vremena. Kompleksni sustav (sastavljen od velikog broja čestica) može biti u različitim makroskopskim stanjima od kojih svako odgovara nekim mikroskopskim stanjima (različitim unutrašnjim raspodjelama čestica). Poanta je u tome što su sva mikroskopska stanja jednako vjerojatna, ali makroskopska stanja nisu jednako vjerojatna. Sustav se spontano razvija u smjeru sve vjerojatnijih makroskopskih stanja – onih koja imaju veći broj ekvivalentnih mikroskopskih stanja. To je ono što prepoznajemo kao smjer vremena.