Προβλήματα εκλαΐκευσης της σύγχρονης φυσικής

του Victor F. Weisskopf, Physikalische Blaetter (1990) 73

Μετάφραση: Θεοφάνης Γραμμένος, Φυσικός

Ακαδημία του Πλάτωνα,
μωσαϊκό από την Πομπηία
By Unknown - Men of Carnegie,
Public Domain, Wikimedia Commons

Η διδασκαλία και παρουσίαση της Φυσικής είναι στην πραγματικότητα ουσιαστικά πιο δύσκολη από την έρευνα. Η τελευταία είναι μια επιστημονική δραστηριότητα, ενώ η διδασκαλία και η παρουσίαση είναι ένας συνδυασμός τέχνης και επιστήμης. Τι είναι σύγχρονη Φυσική; Δικαιολογημένα μπορεί κάποιος να πεί ότι σύγχρονη Φυσική είναι η Κβαντομηχανική και η Θεωρία της Σχετικότητας, συμπεριλαμβανομένων των αποτελεσμάτων αυτών των δύο θεωριών. Η εκλαΐκευση αμφότερων των γνωστικών πεδίων, τα οποία βεβαίως συνδέονται στενά μεταξύ τους, είναι αρκετά απαιτητική, καθώς πρέπει να καταβληθεί μεγάλη προσπάθεια προκειμένου να παρουσιαστούν με απλότητα στον αδαή. Ουσιαστικά διερωτάται κανείς γιατί είναι απαραίτητες οι εκλαϊκευτικές παρουσιάσεις αυτών των αντικειμένων. Σε τελική ανάλυση, η πλειονότητα των ανθρώπων δεν χρειάζεται τίποτε από αυτά στην καθημερινή ζωή. Λέγεται συχνά, ότι σε μια δημοκρατία ο πολίτης πρέπει να μπορεί να κρίνει καλύτερα τα όποια τεχνολογικού χαρακτήρα ερωτήματα, ενώ χρειάζεται επιστημονικές γνώσεις προκειμένου να συμμετάσχει στη λήψη σημαντικών αποφάσεων. Αυτό είναι σωστό σε κάποιο βαθμό, αλλά οφείλουμε να πούμε ότι από τις εκλαϊκευτικές παρουσιάσεις που μπορεί να καταλάβει ο αδαής, δεν προκύπτει ιδιαίτερα μεγάλη δυνατότητα κρίσης για σημαντικά ζητήματα αναφορικά με τη διοίκηση μιας χώρας. Ωστόσο, πιστεύω ότι τα παραπάνω αποτελούν μια από τις αιτίες για την αναγκαιότητα της εκλαΐκευσης.
Όμως υπάρχει και μια άλλη αιτία που σχετίζεται με τα προηγούμενα: Οι εκλαϊκευτικές παρουσιάσεις συμβάλλουν στην κατάρριψη της άποψης που θεωρεί τον επιστήμονα, ούτε λίγο ούτε πολύ, ως ένα είδος μάγου. Θέλουμε τουλάχιστον να ελπίζουμε, ότι οι εκλαϊκευτικές παρουσιάσεις καθιστούν σαφές για τον αδαή, πως η επιστήμη είναι αποτέλεσμα λογικών θεωρητικών συλλήψεων και πειραμάτων, στα οποία δεν υπεισέρχεται καμία μαγεία και τίποτε το απόκρυφο, όπως πιστεύουν πολλοί άνθρωποι ακόμη και σήμερα.

By NASA/WMAP Science Team -
Original version: NASA; modified by Cherkash,
Public Domain, Wikimedia Commons

Όμως το κύριο επιχείρημα είναι, κατά τη γνώμη μου, το εξής: Οι σύγχρονες θετικές επιστήμες, ιδιαίτερα η Φυσική και η Βιολογία, είναι ό,τι πιο θετικό έχει προσφέρει ο πολιτισμός του εικοστού αιώνα. Δεν χρειάζεται να υπενθυμίσω τις, απρόβλεπτες κατά το παρελθόν, προόδους στον αιώνα μας, όπως π.χ. η κατανόηση της δομής της ύλης, του ατόμου, των μορίων, της συμπυκνωμένης ύλης, ή τα νέα τηλεσκόπια για την εξερεύνηση του διαστήματος σε ακτινοβολίες γ, Χ, UV, IR, μικροκυμάτων, κτλ. Επιπλέον, η κοσμοθεώρησή μας έχει διευρυνθεί εντυπωσιακά, ιδιαίτερα με ιδέες που ίσως δεν έχουν αποκτήσει ακόμη την τελική τους μορφή, π.χ. τη Μεγάλη Έκρηξη, την πρώιμη εξέλιξη της ύλης, τη διαστολή του Σύμπαντος. Βεβαίως όλα αυτά είναι ζητήματα τεράστιας σπουδαιότητας. Το κοινό δεν ενδιαφέρεται γι'αυτά μόνο από επιστημονικής άποψης, αλλά επίσης από φιλοσοφικής και συχνά θρησκευτικής άποψης. Υπ'αυτήν την έννοια, είναι ασφαλώς πιο εύκολο να αποφασίσουμε να παρουσιάσουμε στον αδαή αυτά τα ζητήματα, αφού ενδιαφέρεται τόσο πολύ γι'αυτά, αν και παράλληλα είναι πολύ δύσκολο να εξηγήσουμε σωστά και απλά το περιεχόμενό τους. Ακολουθούν τα επιτεύγματα της Βιολογίας, η οποία έχει πετύχει τεράστια πρόοδο στον αιώνα μας. Ας μην ξεχνάμε τη μοριακή Βιολογία, τη γνώση για το μηχανισμό της κληρονομικότητας, την πολύπλοκη Χημεία της ζωής, και τις προόδους στη Νευρολογία. Σε όλα αυτά έρχεται να προστεθεί η ανάπτυξη των υπολογιστών, που αποτελούν ίσως ένα από τα σημαντικότερα εργαλεία των σύγχρονων θετικών επιστημών.
Με βάση όλα τα παραπάνω, έχει κανείς την αίσθηση, και ελπίζω πως δεν κρίνω μονόπλευρα, ότι τα υπόλοιπα πολιτιστικά δημιουργήματα του αιώνα μας, όπως είναι η ζωγραφική, η μουσική, η ποίηση, το θέατρο, κ.α., τελικά δεν άνθησαν τόσο όσο οι θετικές επιστήμες. Ωστόσο, τα μεγαλειώδη επιτεύγματα των επιστημών δεν έχουν εντυπωθεί επαρκώς στη συνείδηση του ευρέως κοινού, και εδώ έγκειται κατά τη γνώμη μου ένας από τους κύριους σκοπούς της εκλαΐκευσης της σύγχρονης Φυσικής. Πιστεύω, ότι η εποχή μας ίσως αξιολογηθεί καλύτερα από ανθρώπους που γνωρίζουν και καταλαβαίνουν τι εννοώ. Αυτή η καλύτερη αξιολόγηση είναι απαραίτητη, καθώς σήμερα κυριαρχεί μια κριτική στάση απέναντι στη σημασία των θετικών επιστημών για το σημερινό πολιτισμό. Επιπλέον, θεωρώ ότι η κατανόηση της φύσης παράγει μια στενότερη σχέση μεταξύ ανθρώπου και φύσης, και αυτό είναι επίσης πολύ σημαντικό, αφού σχετίζεται έντονα με την προστασία του περιβάλλοντος και τα σχετικά προβλήματα.

Το PHASR είναι ένα πρωτότυπο μη θανατηφόρο dazzler λέιζερ
By Air Force Research Laboratory Directed Energy Directorate
Public Affairs Photo released by the U.S. Air Force. - 
Public Domain, Wikimedia Commons

Η απέναντι πλευρά θέτει το εξής ερώτημα: τι άλλο παρήγαγαν οι θετικές επιστήμες εκτός από ατομικές βόμβες, όπλα με Laser, μόλυνση της φύσης, ισοπέδωση του πολιτισμού μας μέσω της τηλεόρασης, κινδύνους της γενετικής τεχνολογίας; Φυσικά αυτές οι αρνητικές συνέπειες δεν οφείλονται άμεσα στις θετικές επιστήμες, αλλά στην εφαρμογή τους μέσω της τεχνολογίας.
Όμως οφείλω να τονίσω, ότι έτσι ξεχνάμε εύκολα τις θετικές πλευρές της επιστήμης. Η εφαρμογή της Βιολογίας, η Βιοτεχνολογία, η Ιατρική, έχουν πετύχει ευλογημένα αποτελέσματα όπως η διπλασίαση του μέσου όριου ηλικίας και η εξάλειψη των επιδημιών. Η Φυσική και η Χημεία ελάττωσαν τη σωματική εργασία και διάνοιξαν νέους δρόμους για τις μεταφορές, τους οποίους κανείς δεν φανταζόταν, με αποτέλεσμα τη διάδοση της γνώσης. Η εκλαΐκευση της επιστήμης στοχεύει στην παρουσίαση των θετικών πνευματικών αξιών της τελευταίας, οι οποίες οδηγούν σε μια βαθύτερη κατανόηση της φύσης και, κατά συνέπεια, φέρουν τον άνθρωπο πιο κοντά στη φύση. Ανέκαθεν είχα την αίσθηση πως όταν θαυμάζουμε κάτι στη φύση, π.χ. ένα ηλιοβασίλεμα, η γνώση σχετικά με τη σκέδαση του φωτός και τα αίτια της ερυθράς απόχρωσής του συμβάλλει στην αισθητική απόλαυση, την αυξάνει και την εμπλουτίζει. Με αυτό δεν θέλω να πω ότι η εξέταση των εφαρμογών δεν είναι σημαντική, αντιθέτως, είναι ιδιαίτερα σημαντική προκειμένου να επιστήσουμε στο ευρύ κοινό τα καλά και τα κακά επακόλουθα της εφαρμογής της επιστήμης, αλλά δεν θέλω να προχωρήσω περισσότερο σε αυτό.

Μια διατομή ενός πολλαπλού πέμπτου βαθμού Calabi-Yau
Στην αλγεβρική γεωμετρία, μια πολλαπλή Calabi-Yau, επίσης
γνωστή ως χώρος Calabi-Yau, είναι ένας ιδιαίτερος τύπος
πολλαπλής που έχει ιδιότητες, που βρίσκουν εφαρμογές στη
θεωρητική φυσική. Ιδιαίτερα στη θεωρία των υπερχορδών,
οι επιπλέον διαστάσεις του χωροχρόνου μερικές φορές
υποτίθεται ότι παίρνουν τη μορφή μιας 6-διάστατης πολλαπλής
Calabi-Yau, η οποία οδήγησε στην ιδέα της συμμετρίας καθρέφτη. 

By Jbourjai - Mathematica output, created by author, 

Public Domain, Wikimedia Commons

Κατά τη γνώμη μου, το βασικό λάθος σε πολλές επιστημονικές εκλαϊκεύσεις έγκειται στο ότι περιορίζονται σε εξαιρετικά πρόσφατα αποτελέσματα, τα οποία συχνά δεν συμβάλλουν ιδιαίτερα στη μεταβολή της κατανόησής μας για τη φύση. Μάλιστα, σε κάποιες περιπτώσεις, αποδεικνύεται αργότερα ότι είναι εσφαλμένα. Εδώ εννοώ, για παράδειγμα, την ψυχρή σύντηξη. Όμως και λογικές ανακαλύψεις όπως η υπεραγωγιμότητα σε υψηλές θερμοκρασίες ή κάποια νέα στοιχειώδη σωματίδια, ή ακόμη οι νέες θεωρίες και απόψεις σχετικά με τις υπερχορδές, δεν είναι πολύ κατάλληλες για την προώθηση της κατανόησης της σύγχρονης Φυσικής. Οι βασικές αρχές της σύγχρονης Φυσικής είναι απόλυτα άγνωστες στον αδαή, όμως είναι αυτές που περικλείουν την πνευματική αξία των σύγχρονων επιστημών. Συχνά έχουν ηλικία κάποιες δεκαετίες, άρα δεν πρόκειται για θέματα που αναφέρονται σήμερα στα πρωτοσέλιδα των εφημερίδων. Ωστόσο είναι ό,τι πιο σημαντικό και όμως ελάχιστα ασχολούμαστε με αυτές. Αναφέρω ως παράδειγμα την Κβαντομηχανική, η οποία ανήκει στα δυσκολότερα θέματα προς εκλαΐκευση. Η σημαντικότερη ιδέα εδώ είναι, ότι πολλές από τις συνηθισμένες έννοιες δεν εφαρμόζονται πλέον δίχως περιορισμούς στον κόσμο των ατόμων, όπως π.χ. οι έννοιες του σωματιδίου, του κύματος, της ταχύτητας, της ενέργειας, της ορμής, κτλ.
Όλα αυτά μπορούν να διευκρινιστούν αν καταδείξουμε τις αντιφάσεις στις οποίες εμπλέκεται όποιος χρησιμοποιήσει αυτές τις κλασικές έννοιες. Όμως η δυσκολία συνίσταται στο να διατυπωθούν αυτές οι αντιφάσεις με τέτοιο τρόπο, ώστε ο αδαής να μπορεί να τις αντιληφθεί άμεσα. Συχνά αυτό δεν είναι καθόλου εύκολο.
Ποιές είναι αυτές οι προφανείς αντιφάσεις; Πρόκειται για τις ειδικές ιδιότητες της ύλης, και ιδιαίτερα των διαφόρων ειδών ατόμων. Για παράδειγμα, ο χρυσός παραμένει χρυσός όπου και αν τον βρούμε, ακόμη και αν τον εξαχνώσουμε και τον στερεοποιήσουμε εκ νέου, ενώ αυτό θα ήταν αδύνατο, αν εφαρμόζαμε στα άτομα το κλασικό μοντέλο του πλανητικού συστήματος. Δηλαδή, η ταυτότητα ατόμων του αυτού είδους, καθώς και η σταθερότητά τους σε όλων των ειδών τις κρούσεις που υφίστανται, είναι ασύμβατες με το κλασικό μοντέλο που προκύπτει από τα πειράματα του Rutherford και άλλων, όταν εφαρμοσθούν οι κλασικές έννοιες. Κατόπιν πρέπει να καταδείξουμε ότι οι ατομικές ιδιότητες είναι κατανοητές, όταν θεωρήσουμε το ηλεκτρόνιο ως κύμα, του οποίου η διάδοση στο χώρο υφίσταται περιορισμούς λόγω της έλξης του πυρήνα. Εδώ, μπορούμε να παρουσιάσουμε σχήματα ή εικόνες από στάσιμα κύματα στο πεδίο του πυρήνα, δηλαδή από κύματα ηλεκτρονίων (τροχιακά). Επίσης μπορούμε να δώσουμε πιο απλά παραδείγματα, όπως την ταλάντωση της χορδής ενός βιολιού τονίζοντας, ότι τα περιορισμένα στο χώρο κύματα δεν έχουν μόνο ειδικό σχήμα, αλλά και ειδικές συχνότητες, και συνεπώς ειδικές ενέργειες. Αυτές οι μορφές (τα τροχιακά) είναι, κατά τη γνώμη μου, πολύ σημαντικές, αλλά και πολύ ωραίες. Ουσιαστικά αποτελούν τις πρωταρχικές μορφές της φύσης. Σε αυτές διακρίνουμε το σημαντικό ρόλο της χωρικής συμμετρίας στη δομή των ατόμων. Αυτά τα στάσιμα κύματα υποδηλώνουν τον τρόπο με τον οποίο εμφανίζονται στην Κβαντομηχανική ειδικές μορφές, και πώς αυτές γίνονται ολοένα και πιο πολύπλοκες σε ανώτερες στάθμες.

Φωτογραφία θαλάμου φυσαλίδων του πρώτου ποζιτρονίου
που παρατηρήθηκε ποτέ από τον C. Anderson.
By Carl D. Anderson (1905–1991) - Anderson, Carl D. (1933).
"The Positive Electron". Physical Review 43 (6): 491–494.
DOI:10.1103/PhysRev.43.491.,
Public Domain, Wikimedia Commons

Τώρα εμφανίζεται βεβαίως η μεγάλη δυσκολία: πώς είναι δυνατόν, το ηλεκτρόνιο να είναι κύμα και σωματίδιο; Μα γνωρίζουμε ότι είναι σωματίδιο. Από πού; Επειδή μπορούμε να δούμε την τροχιά του, π.χ. σε ένα θάλαμο φυσαλλίδων, όπου βλέπουμε συγκρούσεις σωματιδίων, από τις οποίες συμπεραίνουμε ότι πραγματοποιείται μια ανταλλαγή ορμών μεταξύ των σωματιδίων. Από την άλλη, βρίσκουμε την απόδειξη της κυματικής φύσης όχι μόνο στις παραπάνω μορφές, αλλά και σε πειράματα συμβολομετρίας με δέσμες ηλεκτρονίων. Ασφαλώς, ένα κύμα και ένα σωματίδιο είναι δύο διαφορετικά πράγματα, γεγονός που προκαλεί σύγχιση στον αδαή. Το κύμα εκτείνεται, το σωματίδιο είναι εντοπισμένο. Σύμφωνα με τον David Bohm, "Το ηλεκτρόνιο είναι κάτι, το οποίο έχει τη δυνατότητα να εμφανίζει σωματιδιακές ή κυματικές ιδιότητες, αναλόγως των οργάνων μέτρησης με τα οποία αλληλεπιδρά". Αυτό σημαίνει ότι ένα ηλεκτρόνιο δεν είναι μόνο κύμα και δεν είναι μόνο σωματίδιο. Αυτές είναι κλασικές έννοιες, οι οποίες δεν είναι κατάλληλες για τον κόσμο των ατόμων. Ένα ηλεκτρόνιο δεν είναι ούτε το ένα, ούτε το άλλο! Ο Eddington το ονόμασε πολύ πετυχημένα "κυματοσωματίδιο" (wavicle).
Ερχόμαστε τώρα στην αρχή απροσδιοριστίας του Heisenberg, όπως αυτή είναι γνωστή. Μπορούμε να την περιγράψουμε ως εξής: Οι ανισότητες του Heisenberg αποτελούν προειδοποιήσεις: οι κλασικές έννοιες μπορούν να εφαρμοσθούν μέχρις εδώ και όχι παραπέρα! Αν αυτό συμβεί παρ'όλα αυτά, τότε οδηγούμαστε σε αποφάνσεις πιθανοτικού χαρακτήρα. Θα προτιμούσα να ονομάσω τις σχέσεις του Heisenberg σχέσεις περιορισμού (limiting relations), καθώς εκφράζουν τον περιορισμό της εφαρμοσιμότητας κλασικών εννοιών. Νομίζω ότι αν το είχαμε πράξει εξ αρχής, θα είχαμε αποφύγει μια σωρεία από φιλοσοφικές ανοησίες, όπως π.χ. ότι λόγω της Κβαντομηχανικής τα πάντα είναι απροσδιόριστα. Μάλιστα, τέτοια συμπεράσματα έχουν και αρνητικές ηθικές επιπτώσεις. Η πραγματικότητα είναι τελείως διαφορετική: η Κβαντομηχανική έφερε την οριστικότητα, για παράδειγμα, στη Φυσική των μορφών που προαναφέραμε, η οποία εξηγεί το είδος και τα χαρακτηριστικά φάσματά τους, θέματα που δεν εξηγούνται με κλασικό τρόπο. Η Κβαντομηχανική μάς επιτρέπει να κατανοήσουμε και να υπολογίσουμε τι συμβαίνει στον ατομικό κόσμο. Το γεγονός ότι ο άνθρωπος κατάφερε, παρά τον αφηρημένο χαρακτήρα αυτών των εννοιών, οι οποίες δεν ανήκουν στην καθημερινή ζωή, να διατυπώσει μια ποσοτική θεωρία και να διατυπώσει προβλέψεις, το θεωρώ ως ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της ανθρώπινης νόησης. Αυτό ακριβώς είναι ό,τι θεωρώ σημαντικό, ότι δηλαδή πρέπει να διευκρινίσουμε στο ευρύ κοινό πόσο θεμελιώδη και σπουδαία είναι αυτά τα επιτεύγματα.

Το πιάνο που έπαιζε ο Μότσαρτ το 1787,
στο Τσεχικό Μουσείο Μουσικής, στην Πράγα
By VitVit - Own work,
CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons

Έχω συζητήσει συχνά αυτά τα ζητήματα με φοιτητές μου, ιδιαίτερα στην περίοδο του πολέμου των ΗΠΑ με το Βιετνάμ, όταν όλοι οι φοιτητές ήταν εξαιρετικά αναστατωμένοι και έλεγαν, "πώς μπορούμε να μελετούμε Κβαντομηχανική σε μια τέτοια εποχή". Τότε τους απαντούσα ότι, "βίωσα μια πολύ φοβερότερη εποχή, στη δεκαετία του 1930, και τότε υπήρχαν δύο πράγματα που με κράτησαν, ας το πω έτσι, στην πνευματική ζωή: ο Μότσαρτ και η Κβαντομηχανική. Φυσικά, ο Μότσαρτ εκπροσωπεί τη μεγάλη τέχνη, και η Κβαντομηχανική την επιστήμη. Και μια ανθρωπότητα που έχει δημιουργήσει τόσο μεγαλειώδη επιτεύγματα, αξίζει να σπουδάζει και να επιβιώνει, παρ'όλα αυτά τα τρομακτικά γεγονότα."
Είναι σημαντικό να τονίσουμε, ότι δεν είναι μόνο τα άτομα που κατανοούμε με την Κβαντομηχανική. Βεβαίως είναι σπουδαίο να μπορούμε να εκφράσουμε με απλές σχέσεις το μέγεθος και την ενέργεια των ατόμων. Όμως η Κβαντομηχανική περιγράφει και μόρια, κρυστάλλους, στερεά και υγρά σώματα. Όλα αυτά αποτελούν συνδυασμούς των μορφών που έχουμε αναφέρει. Εδώ έχουμε και πάλι την ταυτότητα και τη σταθερότητα μορίων του αυτού είδους. Όταν εφαρμόσουμε αυτήν την αρχή στα μόρια του DNA, βρίσκουμε ότι κάθε άνοιξη ανθίζουν τα ίδια λουλούδια και ότι τα παιδιά μοιάζουν με τους γονείς τους. Συνεπώς, είναι πολύ σημαντικό να υπογραμμίσουμε τον τρόπο σύνδεσης των βασικών αρχών της Κβαντομηχανικής με τα θεμελιώδη ζητήματα της ζωής.
Ένα άλλο θέμα μεγάλου ενδιαφέροντος για το ευρύ κοινό είναι η λεγόμενη "κβαντική κλίμακα", δηλαδή ο τρόπος με τον οποίο μεταβαίνουμε από τον κρύσταλλο στα μόρια, στα άτομα, στον πυρήνα, και τέλος στα πρωτόνια, τα νετρόνια, και τα κουάρκ. Βεβαίως αυτό είναι κάτι πολύ συναρπαστικό και εξηγείται σχετικά εύκολα. Φυσικά, πρέπει να εξηγήσουμε επίσης για ποιό λόγο, όσο μικρότερα είναι τα συστήματα, τόσο μεγαλύτερες είναι οι απαιτούμενες για την εξερεύνηση της δομής τους ενέργειες. Αυτό είναι σημαντικό για την κατανόηση του κόστους κατασκευής και λειτουργίας των σημερινών επιταχυντών: οι δομικοί λίθοι ενός συστήματος αναπαρίστανται από κυματικές μορφές, των οποίων το μήκος κύματος είναι της τάξης μεγέθους του συστήματος. Όμως, σύμφωνα με τον de Broglie, ένα μικρό μήκος κύματος σημαίνει μεγάλη ορμή και άρα μεγάλη ενέργεια.

Μια ατμομηχανή που λειτουργεί κατασκευασμένη από κομμάτια LEGO
By Bernard de Go Mars - Own work, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons

Στην περίπτωση δομών κουάρκ των νουκλεονίων γίνονται συχνά λάθη. Φυσικά εύκολα μπορεί να εξηγηθεί πως, όταν τα κουάρκ έχουν φορτία όπως -1/3 και +2/3, είναι δυνατή η συγκρότηση του πρωτονίου, του νετρονίου, και άλλων σωματιδίων, ώστε να καταλήξουμε στο περίφημο εξάγωνο των στοιχειωδών σωματιδίων, στη συμμετρία SU(3). Ωστόσο, δεν μού αρέσουν ιδιαίτερα τέτοιες αναπαραστάσεις, διότι δεν πιστεύω ότι ο αδαής αποκτά με αυτά τα παιχνίδια αριθμών μια θεμελιώδη κατανόηση του φαινομένου. Μού θυμίζει εκείνο το ανέκδοτο, στο οποίο ένας μηχανικός εξηγεί σε έναν αγρότη πώς λειτουργεί μια ατμομηχανή. Τού εξηγεί με μεγάλη ακρίβεια πώς παράγεται ο ατμός, εδώ υπάρχουν αυτοί οι σωλήνες, κατόπιν ο ατμός εισέρχεται στο λέβητα, στον κύλινδρο, κ.ο.κ. Και τέλος, ο μηχανικός ρωτά τον αγρότη: κατάλαβες όσα σού είπα; Ναι, απαντά ο τελευταίος, αλλά έχω μια ερώτηση: πού είναι το άλογο; Όταν δίνουμε απλές και επιφανειακές περιγραφές, δεν αναδεικνύεται σε αυτές η ουσιαστική ιδέα. Στη δομή των κουάρκ πρόκειται για κάτι πιο βαθύ, για μια νέα δύναμη της φύσης, η οποία σε αυτά τα παιχνίδια αριθμών δεν αναδεικνύεται καθόλου.
Δυστυχώς δεν διαθέτω τον απαραίτητο χώρο και χρόνο ώστε να αναφερθώ στα προβλήματα της θεωρίας της σχετικότητας, η οποία εξηγείται επίσης πολύ δύσκολα στον αδαή. Μάλιστα, θα έπρεπε να ονομάζεται θεωρία του απόλυτου, διότι αυτό που μάς λέει είναι ότι μπορούν να διατυπωθούν απόλυτοι νόμοι, ανεξάρτητοι από συστήματα συντεταγμένων. Και εδώ πιστεύω, ότι με μια τέτοια ονομασία θα αποφεύγαμε πολλές φιλοσοφικές ανοησίες.

Σχηματοποιώντας τον χώρο σε δύο διαστάσεις,
το ξεδίπλωμα του χρόνου δίνει την αίσθηση
του χωροχρόνου σε τρεις διαστάσεις.
By Cleonis - Cleonis, CC BY-SA 2.5,
Wikimedia Commons

Όμως θέλω να κάνω μια παρατήρηση για τη γενική σχετικότητα. Ένας φοιτητής με ρώτησε κάποτε πώς εξηγείται το γεγονός ότι στο ασθενές βαρυτικό πεδίο της Γης ένα σώμα σε πτώση ακολουθεί μια καμπυλωμένη τροχιά. Οι τροχιές αυτές είναι γεωδαισιακές. Πώς είναι τόσο καμπυλωμένες στο ασθενές πεδίο της Γης; Δεν κατάφερα να του απαντήσω αμέσως. Μετά από μια άυπνη νύχτα βρήκα την απάντηση, η οποία εξηγείται εύκολα. Πρέπει να τονίζουμε πάντοτε, ότι έχουμε να κάνουμε με έναν τετραδιάστατο κόσμο, δηλαδή χρειάζεται και η συντεταγμένη του χρόνου. Λόγω του παράγοντα ct ο χρόνος έχει διασταλεί ισχυρά. Εάν κατασκευάσουμε ένα χωροχρονικό διάγραμμα, ο χρόνος μετράται σε πολύ μεγαλύτερες μονάδες, έτσι ώστε η παραβολή που διαγράφει το σώμα να είναι σχεδόν ευθεία.
Μια άλλη δυσκολία είναι η εξής. Πολλά από τα ερευνητικά πεδία στη σύγχρονη Φυσική δεν πραγματεύονται φαινόμενα πάνω στη Γη, αλλά στο διάστημα. Οι υψηλές ενέργειες των επιταχυντών υπάρχουν ουσιαστικά είτε στο διάστημα, είτε στη Μεγάλη Έκρηξη, ή στο κέντρο των πυρήνων. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις η ύλη βρίσκεται σε ακραίες συνθήκες. Άλλα παραδείγματα από τη σύγχρονη Φυσική είναι οι πολύ χαμηλές και οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες, η μη γραμμική Οπτική, δηλαδή πολύ μεγάλες εντάσεις φωτός. Όταν η εκλαΐκευση επικεντρώνεται σε αυτά τα θέματα, τότε ο αδαής δεν αντιλαμβάνεται ότι η σύγχρονη Φυσική έχει εξηγήσει φαινόμενα της καθημερινής εμπειρίας στη Γη. Ασφαλώς, αυτό είναι πολύ σημαντικό.
Μια διαφορετική δυσκολία προκύπτει στη διδασκαλία της σύγχρονης Φυσικής στο σχολείο. Επιστήμη δεν σημαίνει γνώση, αλλά απόκτηση γνώσης. Γι'αυτό το λόγο, είναι ιδιαίτερα σημαντικό, οι μαθητές να διεξάγουν πειράματα. Αυτό λειτουργεί πολύ καλά στην κλασική Φυσική. Ίσως και λίγο στη θεωρία της σχετικότητας, όπου ενδεχομένως να είναι δυνατή στο σχολείο η μέτρηση της μεταβολής μάζας με την ταχύτητα στην καμπύλωση μιας δέσμης ηλεκτρονίων μέσω ενός μαγνήτη. Όμως είναι πρακτικά αδύνατο, να διεξαχθούν στο σχολείο πειράματα από μαθητές για την θεμελίωση της Κβαντομηχανικής. Η τελευταία μπορεί να εξηγηθεί ουσιαστικά μόνο γραπτά ή προφορικά σε συζήτηση με τους μαθητές. Βεβαίως είναι σημαντική η επινόηση κατάλληλων πειραμάτων και για το σχολείο. Προσωπικά δεν το έχω καταφέρει.
Η εκλαΐκευση και η διδασκαλία στο σχολείο είναι δύσκολες. Πολύ πιο δύσκολες από την πρωτότυπη έρευνα. Ο Feynman είπε κάποτε: "όποιος δεν μπορεί να εξηγήσει την έρευνά του στην ή στόν σύζυγό του, όταν αυτή ή αυτός δεν είναι επιστήμονας, δεν την έχει κατανοήσει ούτε ο ίδιος". Συχνά συνειδητοποίησα κατά την προσπάθεια εξήγησης ενός φαινομένου, ότι υπήρχαν σημεία που δεν είχα κατανοήσει, τα οποία αποσαφηνίστηκαν αργότερα όταν προσπάθησα να τα εξηγήσω σε έναν αδαή. Συνεπώς, η εκλαΐκευση δεν πρέπει να θεωρείται ως δευτερεύουσας σημασίας απασχόληση.
Δυστυχώς, η εκμάθηση της ικανότητας του διδάσκειν είναι δύσκολη. Πρόκειται για τέχνη και όχι απλώς επιστήμη, και η Διδακτική δεν εκπροσωπείται επαρκώς στα Πανεπιστήμια. Στη Γερμανία τα πράγματα είναι καλύτερα απ'ότι στις ΗΠΑ. Στο ΜΙΤ υπάρχει μια ομάδα εργασίας στη Διδακτική, η οποία μεταξύ άλλων γυρνά ενδιαφέρουσες εκπαιδευτικές ταινίες. Είμαι λίγο αντίθετος στη χρήση ταινιών για εκπαιδευτικούς λόγους, επειδή οι ταινίες είναι παθητικές. Κάθεσαι και απλώς βλέπεις, δεν συμμετέχεις ο ίδιος σε κανένα πείραμα. Ωστόσο, ταινίες αυτού του είδους μπορούν να αποβούν χρήσιμες.
Μπορεί να διδαχθεί η Διδακτική; Κάποτε προσπάθησα να πραγματοποιήσω ένα αντίστοιχο σεμινάριο στο ΜΙΤ, στο οποίο συμμετείχαν 12 μεταπτυχιακοί φοιτητές, καθένας από τους οποίους έπρεπε να δώσει μια ομιλία για ένα θέμα που δεν ανήκε στην ειδικότητά του. Στη συνέχεια κρίναμε κάθε ομιλία: η τάδε έννοια δεν εξηγήθηκε, η δείνα έννοια θεωρήθηκε ως υπόθεση, κτλ. Μετά από λίγα χρόνια αποδείχθηκε ότι το όφελος δεν ήταν μεγάλο. Φαίνεται πως πρέπει κάποιος να το έχει στο αίμα του, να έχει γεννηθεί καλός δάσκαλος. Πάντως ελπίζω να κάνω λάθος, και απλώς να μην χρησιμοποίησα τις σωστές μεθόδους.

Το 1861, το Πανεπιστήμιο Yale
απένειμε το πρώτο διδακτορικό πτυχίο
Doctor of Philosophy (Ph.D.) στις Ηνωμένες Πολιτείες.
By Unknown - from a c. 1905 postcard.,
Public Domain, Wikimedia Commons

Δυστυχώς, η ικανότητα της καλής διδασκαλίας δεν έχει εκτιμηθεί επαρκώς. Στα διδακτορικά, στις εκλογές νέων μελών επιστημονικού προσωπικού, κτλ. ως σημαντικότερο θεωρείται πάντοτε η πρωτότυπη έρευνα του υποψήφιου. Πόσο διαφορετικά είναι τα πράγματα, π.χ. στη μουσική, όπου ο καλλιτέχνης, ο πιανίστας, ο βιολονίστας, ο μαέστρος, αποκτά πολύ περισσότερη δόξα, δημοσιότητα, και χρήμα. Πρέπει να βρούμε μια μέση οδό στην επιστήμη. Πρέπει να ιδρύσουμε περισσότερους ανάλογους τομείς στα πανεπιστήμια. Στα διδακτορικά, τις υφηγεσίες, και τις εκλογές νέων μελών, πρέπει να κρίνουμε και την ικανότητα διδασκαλίας. Για παράδειγμα, στο ΜΙΤ έχω προτείνει να γίνονται αποδεκτές διδακτορικές διατριβές, οι οποίες δεν περιέχουν πρωτότυπη έρευνα, αλλά καινοτόμους τρόπους παρουσίασης παλαιών θεμάτων, όπως π.χ. των εξισώσεων του Maxwell. Δυστυχώς δεν εισακούστηκα. Είναι αναγκαίο να ασχοληθούμε περισσότερο με προβλήματα Διδακτικής, να γράψουμε περισσότερα εκλαϊκευτικά βιβλία, να γυρίσουμε περισσότερες εκπαιδευτικές ταινίες, και κυρίως να εκτιμήσουμε αυτές τις δραστηριότητες. Εάν δεν το πράξουμε, η εκλαΐκευση θα είναι μια τέχνη που τείνει να εκλείψει!

Πηγή: 

Από την ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΟΜΑΔΑ ΕΚΛΑΪΚΕΥΣΗΣ στο τμήμα Φυσικής του NTUA: ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΕΚΛΑΪΚΕΥΣΗΣ ΤΗΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ Από το μπλογκ της Τίνας Νάντσου Προβλήματα εκλαΐκευσης της σύγχρονης φυσικής

Εικόνες:

Αρχική εικόνα: Κυματοσυναρτήσεις του ηλεκτρονίου σε ένα άτομο υδρογόνου σε διαφορετικές ενεργιακές στοιβάδες. Η κβαντομηχανική δεν μπορεί να προβλέψει την ακριβή θέση ενός σωματιδίου στο χώρο, παρα μόνο την πιθανότητα να βρεθεί σε διάφορες θέσεις. Οι φωτεινότερες περιοχές αντιπροσωπεύουν μεγαλύτερη πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου. By PoorLeno (talk) - the English language Wikipedia (log).Original text: I created this work entirely by myself. References:Forinash, Kyle. Hydrogen W Simulation. Indiana University Southeast. Retrieved on 2008-12-18.Tokita, Sumio; Sugiyama, Takao; Noguchi, Fumio; Fujii, Hidehiko; Kobayashi, Hidehiko (2006). "An Attempt to Construct an Isosurface Having Symmetry Elements". Journal of Computer Chemistry, Japan 5 (3): 159–164. DOI:10.2477/jccj.5.159., Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5854697