MINDENKI SZÁMÁRA »RELEVÁNS« FIZIKA

Art Hobson
Arkansasi Egyetem Fizikai Intézet

Közismert, hogy egyes országok nagyon elmaradtak a természettudományos műveltség terén, és felismerik ennek súlyos következményeit: A fizikus és pedagógus David Goodstein dicséri ugyan az USA egyetemi képzési rendszerét, amely "a legjobb a világon", mégis úgy látja, hogy az oktatási rendszer többi része rossz, annyira, hogy veszélyezteti az ideális jeffersoni demokráciát. Továbbá szerinte: "Az amerikai gyerekek, más művelt népekkel összehasonlítva, az oktatás minden fokán a legalsó szintet foglalják el a természettudományos és matematikai tudás terén. Akármilyen mércével mérjük is, az amerikaiak 95 %-ának hiányosak a természettudományos ismeretei. "

Mi a célja a természettudományos műveltségnek? A Természettudomány Fejlesztésének és Terjesztésének Kérdéseivel Foglalkozó Amerikai Társulat (American Association for the Advancement of Science, AAAS) támogatásával megjelent "Természettudomány minden amerikai számára" (Science for All Americans) című tanulmány csattanós választ ad erre:

"A természettudományos oktatással a hallgatókat fel kell készíteni arra, hogy polgártársaikkal együtt résztvegyenek egy nyitott, befogadó és mozgékony társadalom felépítésében és megvédésében. . . Az embereknek globális problémákkal kell szembenézniük, mint: szabályozatlan népességszaporodás, savas esők, trópusi esőerdők területének zsugorodása, környezet-szennyezés, járványok, szociális feszültségek, jelentős szellemi és anyagi potenciál lekötése háborúk előkészítésére és folytatására. . . a lista hosszú és riasztó. Az, hogy mit tartogat a jövő az egyén, egy nemzet, vagy az egész világ számára, attól függ, milyen bölcsen használják fel a tudományt és a technikát. ... Nem érthetik meg a tudománynak és a technikának az életminőség jobbítására gyakorolt hatását, ha nem ismerik a tudományt, a matematikát, a technikát és nem sajátítanak el bizonyos természettudományos gondolkodásmódot; gyengék a jobb jövő kilátásai tudományosan tájékozott emberek nélkül. "

Az Elkötelezett Tudósok Szövetsége (Union of Concerned Scientists) erélyes nyilatkozatot tett közzé, amelyben felhívja a figyelmet az emberiség jelenlegi életmódjának következményeire. Több ezer kiváló tudós, köztük a ma élő természettudományos Nobel-díjasok többsége aláírta ezt az állásfoglalást. A "Világ tudósainak figyelmeztetése az emberiség számára" többek között ezt mondja:

"Az emberiség összeütközésbe került a természeti környezettel. Az emberi tevékenységek durván és gyakran visszafordíthatatlanul károsítják a környezetet és a kritikus erőforrásokat. A jelenlegi gyakorlat korlátozások nélkül, odavezet, hogy a világban az élet nem tartható fenn az eddig ismert formában. Alapvető változások szükségesek, ha el akarjuk kerülni azt a katasztrófát amelyet jelen életmódunkkal előidézhetünk.

A tudományos világközösség alulírott vezető tudósai felhívják az emberiség figyelmét a következményekre. Jelentősen meg kell változtatni magatartásunkat a Föld és lakói iránt, ha el akarjuk kerülni a nyomort, és nem akarjuk elveszíteni bolygónkat - otthonunkat. "

Beszélgettem több - öregekből és fiatalokból álló embercsoporttal, és megkérdeztem, hogy bármilyen szintű tudományos tanfolyamon tapasztalták-e, hogy hangsúlyoztak olyan problémákat, mint túlnépesedés vagy a savas esők. Nagyon kevesen emelték fel a kezüket. Néhányan emlékeztek arra, hogy valamilyen kémiai előadáson tárgyalták a légszennyezést, vagy fizika előadáson az atomfegyvereket, de a legtöbb tanfolyam teljesen közömbös volt a társadalmi problémák iránt.

Meglepően könnyű, érdekes és hasznos egy társadalmi és kulturális szempontból semleges fizikakollégiumot ilyen szempontból érdekessé, "relevánssá" tenni. Ebben a cikkben néhány olyan gondolatot vetek fel, amelyek hasznosnak bizonyultak az általános műveltséget adó egyetemi szintű bevezető előadásaimon. A legtöbb gondolat minden tudományban és bármely országban alkalmazható - középiskolai vagy egyetemi szinten. A globális felmelegedés például nemcsak a fizikában tárgyalható, hanem a geológiában, kémiában vagy biológiában is - bárhol a világban.

Ismeretterjesztő fizikaelőadás nem-természettudományos szakon

Az Arkansasi Egyetemen kidolgoztam nem-természettudományos szakos hallgatók számára egy ismeretterjesztő fizikakurzust, amelyet minden félévben, évente körülbelül 800 hallgató számára tartok. A hallgatók a közgazdasági, művészeti, társadalomtudományi és pedagógiai szakról jönnek. Négy alaptéma köré csoportosítom az anyagot: tudományos módszertan, különbség a newtoni és a mai fizika között, a fizika társadalmi vonatkozásai, energia.

A módszertan az egész tanfolyam során napirenden volt. 50%-ot a modern fizika témáinak - relativitáselmélet, kvantumfizika, atommag-fizika, nagyenergia-fizika - szenteltem. A társadalmi témák köréből az ózonpusztulást, a globális felmelegedést, a technika kockázatait, az exponenciális növekedést, az atomenergiát, nukleáris fegyvereket, alternatív energiaforrásokat és az alternatív szállítási módszereket tárgyaltam. Az energia alapvető és átfogó fogalom, a legtöbb fizikai folyamatot könnyebb energiával, mint erővel és gyorsulással leírni.

Írtam egy könyvet a tanfolyam számára⁽¹⁾, jelenleg ezt az USA több, mint 70 egyetemén használják.

Előbb az elvek és a "számszerűség", és csak azután a technika és a matematika

A technika érdektelen, ha nem tisztáztuk előzőleg az alapelveket. Az elméleti fizika közismerten komplex tudomány, a nagy elméleti fizikus Paul Ehrenfest mégis azt a tanácsot adta hallgatójának, Victor Weisskopfnak 1928-ban, hogy "felejtse el a bonyolult dolgokat. Ezek a göttingeniek túl sok bombasztikus matematikát hordanak össze. Nem ez a lényeg; a fizika egyszerű, de kényes valami." Weisskopf később ezt úgy kommentálta, hogy "tőle [Ehrenfesttől] megtanultam, hogy amit nem tudunk egyszerűen kifejezni, azt nem is értjük". A jó tanár még a legbonyolultabb, modern témákat is úgy tudja pontosan, mégis technikai részletek nélkül megfogalmazni, hogy azt a nem-természettudósok is megértsék.

Bizonyos mennyiségi fogalmakat ez utóbbiaknak is el kell sajátítaniuk, de algebrai műveletekre nincs szükségük. Fontos a nem-természettudósok számára, hogy értelmezni tudjanak egy grafikont, tudjanak valószínűségekben gondolkozni, durván meg tudják becsülni a végeredményt - nincs szükség azonban hagyományos algebrai házi feladatokra. Minden polgár sajátítsa el a tízes hatványokkal való bánást, tudja becsülni a kockázatot, értse meg az exponenciális növekedést és az arányosságokat. Azt tapasztaltam, hogy a hallgatók ki tudják fejleszteni ilyen irányú képességeiket, el tudják ezt sajátítani egy tanfolyam keretében "a matematika réme" nélkül, mivel ezek a saját életükben is szükségesek. Szerintem az algebrai műveletek elterelik a figyelmet a fő összefüggésekről.

Amikor a kevesebb a több

A legtöbb fizikaelőadás túl sokat akar markolni. Ne az legyen a fő kérdés, hogy "mit hagyhatunk el", hanem, hogy "mit kell belevenni". Csakis azt, ami a kurzus kitűzött céljához szükséges. Az általános műveltséget adó tanfolyam tervezését ne azzal az előfeltevéssel kezdjük, hogy "mit kell lefedni", inkább tűzzünk magunk elé egy reálisan elérhető célt, és csak azokat a fejezeteket vegyük be, amelyek valóban a célnak felelnek meg. Az én előadásaimon például az említett négy átfogó jelentőségű téma szerepel.

Fejtsük le a "hájat", és csak azt tanítsuk, ami mérvadó, a hallgatók számára tényleg fontos. A tanmenet készítésekor folytonosan azt kérdezzük magunktól: "miért kell ezt a nem-szakosoknak tudni". Minden olyan kérdést hagyjunk ki, amelyikre nehéz megtalálni a világos és meggyőző választ. A hasonló kurzusaimból kihagyom az olyan klasszikus fejezeteket, mint elsőrendű nyomaték, lendület, perdület, forgatónyomaték, merev test forgása, tömegközéppont, feszültség és megnyúlás, folyadékok, gáztörvények, fajhő, hangtan, elektromos potenciál, elektromos ellenállás, Ohm-törvény, Faraday-törvény, váltakozó áram, geometriai optika, fényvisszaverődés, fénytörés, tükrök, lencsék, színek.

Modern természettudomány

Az iskolázott embereknek a mai tudományos problémákat kell ismerniük, és nem azokat a régebbi "klasszikus" tételeket, amelyek már nem tekinthetők alapvetően igazaknak. Nem állítom, hogy a korábbi elméleteket teljesen ki kell hagyni az általános műveltséget adó kurzusokból, hiszen sok az igazságtartalmuk, pedagógiailag pedig lépcsőfokot képeznek a modern elvek megértéséhez, de az ilyen kurzusok inkább modernek legyenek, mint historizálók.

Sajnos a fizika-előadók erősen hajlanak arra, hogy hosszan időzzenek a klasszikus elméleteknél, és habár a kvantumelmélet és a relativitástan majdnem száz éve képezi a fizikai világkép megértésének alapját, sok bevezető előadásból majdnem teljesen kihagyják. Sok természettudományos vagy nem-természettudományos szakos hallgató anélkül jön ki az egyetemről, hogy érezné, hogy valami nincs rendben az F = ma összefüggéssel, nem beszélve az olyan fogalmak, mint idő, tér, tömeg, sugárzás, anyag, energia, kontinuitás, észlelés, okság, helymeghatározás valamint az egész fizikai valóság körüli téves nézetekről. Sok fizikatanár tisztában van ezzel, mégis leragadnak a newtoni fizikánál, legfeljebb egy sietős pillantásra méltatják az olyan "modern" (valójában már túlnyomórészt 1920 óta létező) gondolatokat, mint relativitás, fényelektromos hatás, Bohr-atom. Ritka az olyan hallgató, akinek reális képe volna korunk központi tudományos elméletéről, a kvantumelméletről.

Bármelyik tudományban, így a fizikában is nehéz túljutni a régi anyagokon, mert fennáll egy bizonyos klasszikus-modern "kétarcúság". Létezik egy "pedagógiai inercia", amely nem engedi kihagyni a tankönyvekből és az előadásokból a hagyományos témákat; inkább hozzáírnak egy új fejezetet mintsem helyettesítsenek vele egy régit. Nem helyes, ha megpróbálunk sietve áthaladni a régi témákon, abban reménykedve, hogy marad időnk a modernekre - a jó megoldás az, ha sok klasszikus vagy newtoni fejezetet hagyunk ki; így lesz időnk arra, hogy izgalmas, modern tudományt oktassunk.

Filozófiai és kulturális témák

A természettudomány lényegénél fogva filozofikus; a természettudósok a legújabb időkig "természetfilozófusoknak" tekintették magukat. Az uralkodó filozófiai nézeteknek mindig nagy hatásuk volt a kultúrára, így a newtoni fizika képezte az amerikai forradalom szellemi hátterét. Nyomós indokai vannak tehát annak, hogy az általános műveltséget adó kurzusokba explicite bevigyük a filozófia elemeit.

Tárgyaljuk meg az olyan fogalmak mélyebb értelmét mint atomok, energia, fejlődés, Nagy Bumm, geológiai korok, molekulaszerkezet, genetika; meg kell világítani ezek történelmi vonatkozásait és kulturális hatását. A szemináriumokon nyissunk vitát a tudományos módszertanról, a tudományos ismeretek természetéről, a materializmusról, az élet eredetéről, a technika és etika összefüggéséről, a világegyetem keletkezéséről, a tudomány és a vallás eredetéről és a kvantumelmélet jelentőségéről.

Az alapokat leginkább érintő fejezet kétségen kívül magának a tudománynak a fogalma, a tudományos metodika. Szó volt már arról, hogy a természettudományos oktatás reformerei sürgetik, hogy ez legyen az általános műveltséget adó kurzusok központi kérdése. Az a legfontosabb, hogy a hallgatók kezdjenek valóban tudományosan gondolkozni. A következőkben néhány ötletet adok arra, hogyan kell ezt csinálni.

Társadalmi kérdések

Az ipari demokráciák nem lehetnek sikeresek, ha polgárai nem járatosak a társadalom szempontjából lényeges témákban, mint a globális felmelegedés, géntechnika, energiaforrások, légszennyezés, atomfegyverek, túlnépesedés és ózonpusztulás. Kevés ember tudhat minden témáról sokat, de mindenkinek jártasnak kell lennie bizonyos mértékig néhányban, és tudniuk kell tájékozódni a többiben. Ha az átlagpolgárok tömegei nem tudnak ezekről annyit, hogy értelmesen tudjanak szavazni, ha kell, akkor vagy technikai katasztrófa áldozatai leszünk (mint ahogy a világ némely részén ez be is következett), vagy pedig egy nem választott elit egyedül fog döntést hozni.

Ha ezeknek a társadalmi céloknak meg akarunk felelni, akkor tanfolyamunk nem ragadhat le a társadalmi kérdéseknél. Egy szabványos kurzusban szemléltetésül ki kell választani néhány reprezentatív témát, illusztrációként a tudományos alapok lerakásához. Ezek a témák helyettesíthetik azokat a megszokott problémákat, illetve alkalmazásokat, amelyek a legtöbb technikai kurzuson oly nagy helyet foglalnak el. Az én tapasztalataim szerint egyetlen előadás a globális felmelegedésről, a népesedés vagy a szállítás kérdéseinek szentelt 10 perc, esetleg egy cikk a napi sajtóból, csodát tehet, és egész sor társadalmi problémára rá tudja a hallgatók figyelmét irányítani, érzékelni fogják azt, hogy mit is jelent a tudomány a saját életük szempontjából.

Társadalmi kérdéseket nagyon hatásosan lehet az órán előadni még akkor is, ha csak kis részét teszik ki a teljes anyagnak. Felejthetetlen élmény lesz a hallgatók számára, és utolsó vizsgájuk után is hosszú ideig a hatásuk alatt lesznek. Ezekben a témákban sok a jó tudományos anyag; általuk a hallgatók nagyon jól fel tudják fogni, mi az hogy tudományos metodika, és a kritikai érzéküket is jobban fejlesztik, mint a hagyományos fejezetek. A társadalmi témák vitákat gerjeszthetnek a szemináriumokon, és tárgyai lehetnek zárthelyi dolgozatoknak vagy vizsgamunkáknak.

A következőkben a globális felmelegedés témáját használom fel arra, hogy néhány ötletet adjak, hogyan lehet ezt egy általános műveltséget adó kurzusba beépíteni.

Egy, a társadalom számára fontos kérdés: globális felmelegedés

Ez a rész gyakorlati útmutatást ad egy speciális társadalmi probléma, a globális felmelegedés tanítására, A fizikakurzusok keretében adom elő, de számos kémiai, geológia és biológiai vonatkozása miatt ilyen irányú előadásokon is tárgyalható. A kérdésre 50 perces órát fordítok.

Kezdem a tiszta tudományos alapokkal. Ismertetem a légkör összetételét, hangsúlyozom a csak nyomokban (1 %-nál kevesebb) található gázoknak, mint az ózon, vízgőz és széndioxid az életre gyakorolt jelentős hatását. Áttekintjük a teljes elektromágneses spektrumot és a Nap spektrumát, kiemelem a spektrum tartományokra (infravörös, látható, ultraibolya) való felosztásának jelentőségét.

Ezután beszélek a Föld által elnyelt és visszasugárzott napenergia-áramról. Vázolok egy hipotetikus Földre vonatkozó energiaáramot, amikor az atmoszférából hiányoznak az üvegházhatást előidéző, nyomokban jelenlévő gázok (1. ábra). Ennek a hipotetikus Földnek a hőmérséklete -19 °C, ami megfelel a légkör felső határa valódi hőmérsékletének. Utána a valódi Földre vonatkozó, teljesen különböző energiaáramra térek ki, amikor jelen vannak az üvegház-gázok is (2. ábra).

Itt egy, energia-reciklizációs" effektus lép fel, amely az energiának igen nagy hányadát érinti. Ez a reciklizáció az üvegházhatás: az üvegházgázok elnyelik és újra kisugározzák az infravörös sugárzást, és ezzel a Föld hőmérsékletét 33 °C-szal, azaz +14 °C-ra növelik.

Olyan ez, mintha egy kis farok egy nagy kutyát csóválna. A nyomokban található gázok döntően befolyásolják a Nap és a Föld közötti energiaviszonyokat. Az egyik legjelentősebb üvegházgáz a CO₂, amelynek mennyisége az ipari korban 29%-kal - 280 ppm-ről 360 ppm-re - növekedett. Az emberek által kibocsátott CO₂-nak drasztikus, 50-80%-os csökkentése nélkül ez a mennyiség valamikor a következő évszázadban meg fog kétszereződni.

Az ENSZ Klímaváltozással Foglalkozó Kormányközi Testülete (UN's Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) szerint ez a Föld átlagos hőmérsékletét 1-3,5 °C-kal emeli meg. Megvitatjuk az előrejelzés alapjául szolgáló számítógépes modellt. 1995 előtt a modell és a mért értékek között bizonyos eltérés mutatkozott, és mostanra már körülbelül 1 °C növekedésnek kellett volna bekövetkezni, de a valódi növekedés csak körülbelül 0,5 °C. A felmelegedést modellező szakemberek felfedezték a légszennyező anyagok, főleg a csak nyomokban előforduló kénvegyületek jelentőségét. Amikor a hűtőhatású szennyezőket bevitték a modellbe, a számított és a mért értékek jól egyeztek.

Felsorolok néhány olyan adatot, amelyekből kiderül, hogy milyen alapelveken nyugszik a tudományos metodika; a tudósok nem érzelmi előfeltevések, hanem tapasztalati bizonyítékok alapján dolgoznak. A globális átlagos felületi hőmérséklet 1860 óta lényegében változatlan. Említettem már, hogy az észlelések szerint a felmelegedés 0,5 °C, ami megfelel a modellnek. Egy másik jelentős adatforrás az Antarktisz jégtakarója, amelyből meghatározható az elmúlt 160 000 év alatti széndioxidkoncentráció és hőmérsékletváltozás. Ezen két adat között szoros a korreláció és kitűnik, hogy egy interglaciális meleg időszak (amilyen a mostani is) és a jégkorszak közötti különbség csak körülbelül 5 °C és ebben az 160000 évben a széndioxid-szint végig 200-290 ppm között volt. A jelenlegi 360 ppm, valamint a megjósolt körülbelül kétszeres, 560 ppm érték ebben az időszakban és az azt megelőző jégkorszakban példa nélkül áll, sőt még az interglaciális időszakban sem fordult elő!

Ezzel kapcsolatosan a hallgatók sok kérdést tehetnek fel. Biztosan azt is megkérdezik, hogy várható-e a fölmelegedésen kívül más effektus is. Ilyen lehet az óceán szintjének emelkedése (10-20 cm emelkedés már bekövetkezett), a felhőtakaró növekedése, planktonburjánzás, szúnyogok és más járványterjesztők elszaporodása, malária és más járványok kiterjedése, a trópusi égöv megnagyobbodása, a mérsékelt égöv határának észak felé tolódása, egyes fafajták kihalása, mások elterjedési zónájának észak felé tolódása, a gleccserek összezsugorodása, a tengerpart elárasztása, a szárazföld területének csökkenése, a sztratoszféra lehűlése, a magaslati csapadék megnövekedése, sarkok felmelegedése, a poláris jég visszahúzódása, az ázsiai monszunok csökkenése, szélsőséges időjárási jelenségek, mint erős zivatarok, aszályok és túl sok csapadék a hideg hónapokban. Jó néhánynak ezek közül már észrevehettük a "lábnyomát", így az IPCC és más megfigyelők megegyeznek abban, hogy az éghajlatváltozás adatszerűen is kimutatható.

A hallgatók rendszerint az üvegházhatás okát is szeretnék tudni és azt, hogy hogyan lehet a kibocsátást csökkenteni. A válasz erre az, hogy elsődleges energiaforrásaink a fosszilis fűtőanyagok, a kibocsátást tehát csak életmódunk megváltoztatásával tudjuk csökkenteni úgy, hogy kevesebb fosszilis anyagot használunk fel. Vannak természetesen más "vétkesek" is mint a klór-fluór-szénhidrogének, metán és az erdők kiírtása.

Csak egy Földünk van

Az ipari demokráciák továbbélése nincs biztosítva, ha polgárainak nincsenek természettudományos ismereteik. Az ok egyszerű: először is a tudományok korában élünk, és majdnem minden társadalmilag fontos döntéshez tudományos és technikai ismeretek szükségesek. Példaként gondoljunk a szállításra, az energiára, környezetre, terrorizmusra, drogokra, túlnépesedésre, háborúkra stb. stb. Másodszor pedig igazán demokratikus társadalomban az embereknek maguknak kell dönteniük a fontos társadalmi kérdésekben. Az olyan demokratikus társadalom, amelyben a népesség tudományosan nem képzett, katasztrófát jelent önmagára és a Földre. Vannak már jelei annak, hogy ilyen demokratikus döntésekkel katasztrófát idéznek elő.

A közérthető és közérdekű, "releváns" fizikát nem csak a fizikus szakma érdekében kell tanítani, és nem csak azért, mert a fizika szép és lebilincselő - ezt a fizikát a bolygónk érdekében kell oktatni.

_____________________

Fordította Menczel György.

⁽¹⁾ART HOBSON: Concepts and Connections (Elvek és összefüggések) - Prentice Hall Inc.,1994, - a második kiadás 1999-re várható