Waarom fysica studeren?

Facebooktwittergoogle_plusmail

In het kader van dit artikel zullen wij niet terugkomen op de etymologie van het woord “fysica” en op de betekenis hiervan in het verleden. Heden ten dage omvat de natuurkunde de studie van de basiswetten van de natuur, met uitsluiting van de verschijnselen van het levende (biologie) en de transformaties van de materie (scheikunde).

Het is belangrijk om te begrijpen dat alle natuurlijke fenomenen (dus ook die van alle leven) onderworpen zijn aan de wetten van de fysica : niets kan zich daaraan onttrekken..

Er zijn vele redenen waarom het vak natuurkunde in het gemeenschappelijk vakkenpakket thuishoort. Het is hier niet de bedoeling om alle onderwerpen aan te snijden waarvan wij vinden dat ze in het programma thuishoren. Wel zullen we alle fundamentele doelstellingen de revue laten passeren en aan de hand van voorbeelden van onderwerpen laten zien hoe deze doelstellingen behaald kunnen worden.

1. Begrijpen wat een wetenschappelijke werkwijze inhoudt

Het is nuttig om dit in verschillende lessen wetenschap te doen. Bij natuurkunde kan men laten zien hoe onze opvattingen over het heelal zich ontwikkelden, vanaf het geocentrisch model (onbeweeglijke Aarde in het centrum van het Universum) tot het Big Bang model. Dit is een mooi voorbeeld van een langzame evolutie naar een stapsgewijze realistischere beschrijving van de Wereld.

Een tweede voorbeeld loont zeker de moeite. Met name de evolutie van onze kennis van het licht. Het lijkt ons om twee redenen belangrijk de studie van het licht in een historisch perspectief te plaatsen. Ten eerste kan onze actuele kennis over dit onderwerp onmogelijk behandeld worden zonder de grote etappes ernaartoe te beschrijven. Bij dit onderwerp is de herhaling van een gedeelte van het proces om pedagogische redenen onmisbaar. Ten tweede laat de grillige wijze waarop de huidige kennis tot stand kwam, zien dat wetenschap niet altijd het resultaat is van een lineair proces. Soms zijn er onverwachte wendingen. Het is zowel boeiend als leerzaam om deze perikelen de revue te laten passeren. Wij storten ons even in de geschiedenis.

In de 17e eeuw stonden twee opvattingen over licht diametraal tegenover elkaar. De ene zei dat licht bestond uit talloze minuscule deeltjes. De andere zei dat licht een “golfverschijnsel” was. Hoe achter de waarheid komen? Door op experimentele wijze de gevolgen van beide modellen te toetsen en door eerst uit te zoeken of ze de toenmalig bekende verschijnselen van licht konden verklaren. Het probleem was dat elk van deze modellen een verklaring bood voor de geobserveerde verschijnselen, althans uitgaande van enkele hypothesen die op dat moment niet toetsbaar waren. Pas in het jaar 1800 zal een beslissend experiment plaatsvinden. Een zekere Young laat dan zien dat, als men licht door twee heel smalle spleten laat schijnen, men helemaal niet hetzelfde zal observeren naargelang licht een golf is of uit heel kleine partikels bestaat. Het experiment laat zien dat het licht zich als een golf gedraagt. Later zullen nieuwe gegevens ook het soort golf kunnen verduidelijken. Nog later, rond 1900, zullen weer nieuwe experimentele gegevens (het zogeheten foto-elektrisch effect) helemaal niet kunnen verklaard worden door de golftheorie. Gaat men er echter vanuit dat er interactie plaatsvindt tussen het licht en de materie door uitwisseling van … partikels die “fotonen” genoemd worden, dan vindt men weer wel een verklaring voor alle resultaten .

Wat nu? Gedurende enige tijd heeft men het over de dualiteit deeltjes – golf. Een fysicus, genaamd de Broglie, begrijpt dan intuïtief dat deze dualiteit ook geldig is voor andere tot dusver als partikels gekende entiteiten (bijvoorbeeld de elektronen). Ook deze hypothese wordt getoetst en onderzocht, waardoor een eenmaking tussen het licht en de materie mogelijk wordt. Heden ten dage blijft deze eenmaking meer dan ooit aan de orde, maar men spreekt niet langer meer over dualiteit deeltjes – golf. De fundamentele entiteiten van het Universum zijn kwantumvelden en elektronen, en andere fotonen materialiseren zich in zeer bijzondere omstandigheden.
Men kan talrijke lessen aan dit onderwerp besteden. Het experiment van Young bijvoorbeeld is vrij makkelijk realiseerbaar. Aangaande het foto-elektrisch effect moet men het doen met een schematische beschrijving. Maar deze geschiedenis, die zich laat lezen als een roman, laat zien dat wetenschap niet saai is, en is fundamenteel om de essentie van de wetenschappelijke werkwijze te vatten.

2. De basis van technologie begrijpen

Ovds (Oproep voor een democratische school) pleit voor een polytechnische opleiding. Wij gaan hier niet de gehele argumentatie ten gunste van een dergelijke opleiding herhalen. Eén van de redenen, is dat aldus de invloed van de technologische ontwikkeling op de sociale, economische en culturele veranderingen zichtbaar wordt. Wetenschap zelf geeft de inzichtelijke basis voor de technologie. En technologische vooruitgang maakt wetenschappelijke vooruitgang mogelijk. De uitvinding van de microscoop bijvoorbeeld is een stap vooruit voor de biologie. Wetenschappelijke ontdekkingen maken technologische vooruitgang mogelijk. Een voorbeeld: de optische wetten vormen de grondslag voor de uitvinding van de microscoop. Wetenschappelijke kennis vormt dus, via technologie, de grondslag voor maatschappelijke ontwikkelingen.

Behalve praktijk- en theorielessen van de technologie, moeten ook de fundamentele wetten, waarop die gebaseerd is, bestudeerd worden. Een goede coördinatie tussen de programma’s wetenschappen en technologie is absoluut noodzakelijk. Waarschijnlijk kan men best bepaalde wetenschappelijke bevindingen meteen in de lessen technologie (techniek) behandelen, terwijl andere voorbehouden blijven aan de les natuurkunde omdat ze basisbeginselen vertegenwoordigen die veel verder reiken dan hun technologische toepassing. De wetten van de beweging (mechanica), de begrippen energie en kracht, de wetten van de elektrostatica, de concepten elektrische stroom, weerstand, elektromagnetische kracht zijn hoe dan ook van kapitaal belang.

3. Onze plaats in het heelal kennen

Het hoofd kunnen bieden aan obscurantisme, maat weten te houden als men een analyse maakt, veronderstelt onder meer dat men zich kan situeren in het universum. Wij bevinden ons op een vrij kleine planeet. Deze planeet draait rond de zon. Die ster maakt deel uit van een melkwegstelsel dat ongeveer honderd miljard sterren telt. En er bestaan wellicht oneindig veel melkwegstelsels in het universum. Vanuit deze constatering kunnen de “voor eeuwig en altijd onoverkomelijke meningsverschillen” onder de volkeren der aarde vaak gerelativeerd worden…

Belangrijk is ook dat men zich bewust is van de dimensie van het heelal. Wij bevinden ons op 150 miljoen km van de zon. Tussen de sterren onderling worden afstanden gemeten in lichtjaren . Een lichtjaar is de afstand die het licht aflegt in een jaar tijd. Als men weet dat het licht 300.000 km/s aflegt en dat de afstand tot de dichtstbijzijnde ster 4 lichtjaren bedraagt, is dat nogal indrukwekkend. Vooral als men weet dat melkwegstelsels als het onze een diameter hebben van circa 100.000 lichtjaren en dat de afstanden tussen de sterren onderling miljoenen lichtjaren bedragen (voor de dichtstbijzijnde…). Om duizelig van te worden, maar die getallen maken het mogelijk te begrijpen hoe belangrijk het is om bij denkwerk rekening te houden met de orde van grootte en dat begrippen als “ver” en “dichtbij” erg relatief zijn, naargelang de schaal waar men mee te maken heeft.

Eén van de belangrijkste ontdekkingen van de 20e eeuw is overigens de historiciteit van het universum.
De Big-Bang theorie toont aan dat het heelal niet altijd in zijn huidige vorm bestond. Het lijkt ons dus belangrijk om enerzijds de structuur van het heelal te bestuderen : melkwegstelsels, sterren, planeten en de orde van grootte van de afmetingen en de afstanden tussen de elementen van deze structuren. En anderzijds de chronologie van de ontwikkeling van dit universum: ongelooflijk hoge temperaturen en energiedensiteit iets meer dan 13 miljard jaren geleden, expansie en afkoeling, vorming van de eerste partikels, vervolgens kernen, atomen, moleculen, melkwegstelsels en eerste sterren enz.
Het wordt moeilijk te beweren dat “de geschiedenis zich eeuwig herhaalt” als het heelal zelf in permanente evolutie is …

4. Begrijpen welke uitdagingen de mensheid te wachten staan

Om een aantal grote uitdagingen die de mensheid de komende decennia zal moeten trotseren te begrijpen, is een goede kennis van een aantal noties van natuurkunde noodzakelijk. Wij geven twee voorbeelden.

a. De energetische uitdaging

Het belangrijkste probleem waaraan de mensheid binnenkort het hoofd zal moeten bieden is niet de opwarming van de aarde (al zal ook deze beheerd moeten worden). Het betreft de toenemende schaarste aan “klassieke” energiebronnen. De huidige organisatie van onze maatschappijen en de kortzichtigheid van onze politieke leiders is dusdanig dat wij het risico lopen een totale ineenstorting mee te maken, als deze schaarste een prijzenexplosie veroorzaakt. Denk maar aan onze afhankelijkheid van olie en elektriciteit en zie hoe ons dagelijks leven volledig ondersteboven gegooid zal worden evenals de organisatie van onze maatschappij. Als men de chaos en barbarij die hier ontegenzeggelijk mee zullen gepaard gaan, wil vermijden, is het van levensbelang dat de gehele burgerbevolking begrijpt waar het om draait. En niet enkel de “verantwoordelijken” die eerder “onverantwoordelijken” lijken…. Voorwaarde is dat elkeen vragen kan beantwoorden als : wat is energie, waarom spreekt men over “ behoud van energie” en tegelijk over “energieverspilling” ? Wat is duurzame energie? De fysica is in staat om, uitgaand van de verschillende soorten energie en hun omvormingen, deze vragen te beantwoorden. En dus ook om de burgers te wapenen voor deze immense uitdaging.

b. Het debat over kernenergie

Moeten de kerncentrales al dan niet gesloten worden ? Dat debat is momenteel vrij heftig in België, maar betreft de gehele mensheid. Uit de manier waarop het in ons land gevoerd wordt blijkt het pseudo-democratisch karakter van onze maatschappij. Een aantal (onafhankelijke ? ) experts stellen een rapport op. Vervolgens beslist de politiek. Zonder op enige wijze de burgers te raadplegen. Die dus fundamenteel niets te zeggen hebben in een debat dat cruciaal is voor de toekomst van ons land: veiligheid op vlak van de energievoorziening, rampenrisico’s, beheer van de afvalstoffen, enz. Democratisch. Het is weliswaar zo dat om de burgers werkelijk aan dat debat te laten deelnemen, zij ook in staat moeten zijn om er de inzet van te begrijpen. Wat is een kernreactie ? Wat is het verschil tussen splijting en fusie ? Wat gebeurt er in een kerncentrale ? Wat verstaat men onder “kernafval” ? Lessen natuurkunde moeten een antwoord geven op deze vragen die van levensbelang zijn voor onze toekomst en voor de democratie.

5. Mythen rond bepaalde begrippen ontzenuwen

Sommige begrippen zijn, behalve hun naam, volslagen onbekend bij de meerderheid van de bevolking : radioactiviteit, magnetisch veld, de beroemde formule E = mc2. Deze onwetendheid geeft charlatanisme en esoterisme vrij spel. “U moet uw huis demagnetiseren om beter te slapen”. Anderzijds geeft dit de burger een gevoel van onkunde die in de kaart speelt van de technocratie. “Ik laat dat aan specialisten over, ik snap er niets van”. Welnu, goed opgezette lessen natuurkunde kunnen deze begrippen perfect bevattelijk maken. Dit is een noodzakelijke voorwaarde voor echt kritisch burgerschap.