EVOLUCIJA KONCEPATA U FIZICI na primjerima sile i entropije

EVOLUCIJA KONCEPATA U FIZICI na primjerima sile i entropije
Dario Hrupec
Institut Ruđer Bošković, Zagreb
Uvod
Koncepti 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. Svi koncepti 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 fizikalnog koncepta 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 – koncept 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 fizikalnoj 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 fizikalnih
zakona u prirodi.
Fizikalni koncepti kao poveznice svijeta ideja i realnog svijeta
Fizikalni koncepti su složeni sustavi ideja koji povezuju fizikalne pojmove. Fizikalni
pojmovi su pak apstraktne tvorevine ljudskog uma kojima opisujemo pojedina svojstva
fizikalnog svijeta. To su, naprosto, oznake ili labele određenih svojstava fizikalnog svijeta.
Razlika između pojmova i koncepata nije uvijek čvrsto određena. I jedno i drugo su naše ideje o
svijetu, no koncepti su obično bitno složeniji sustavi (skupovi s dobrodefiniranim međuodnosima
elemenata) ideja. Koncepte 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 fizikalni modeli (ili teorije ili koncepti). 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) koncepti 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 fizikalnog koncepta 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 koncept 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, koncept entropije nije se s vremenom pokazao pogrešnim. Međutim, jako se
proširio i isprepleo s drugim fizikalnim 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 fizikalni 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 Farrarija. 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
fizikalna veličina koja je daleko od intuitivne. Definirana je u termodinamici kao mjera
"oslabljenosti" u obavljanju korisnog rada. Matematički, (beskrajno mala) promjena entropije
odgovara omjeru (besrjano 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 fizikalna 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.

Download Report