Nihil novis
Muzea naukowe w wielu krajach przodujących w postępie naukowym są sprawdzoną metodą popularyzacji nauki i uzupełnienia tradycyjnych środków dydaktycznych. Można tu wymienić amerykańskie Science Cities (San Francisco), czy ośrodki europejskie jak Monachium, Paryż, Eindhoven. Są to prawdziwe fabryki wiedzy, w których tylko opisane doświadczenia zajmują spore tomy, tzw. Cookie Books (zresztą zazwyczaj trudne do zdobycia). Czasopisma naukowe jak "Scientific American" rezerwują specjalne działy dla autorów prostych doświadczeń fizycznych.
Organizując wystawę "Fizyka zabawek", częściowo w ramach grantu KBN, częściowo w ramach programu polsko-włoskiej współpracy naukowej, natrafiłem na wielu entuzjastów pomysłu (tu należy wymienić prof. H. Wrembla, K. Ernsta, A. Maziewskiego i redakcję "Wiedzy i Życia"), ale również na licznych malkontentów. "Jaki sens ma sprowadzanie eksponatów z zagranicy, jeśli wiele z nich, jak młynek Crooksa są od lat na wyposażeniu uczelni?" (tylko kto to pamięta, dlaczego kręci się on "pod światło"?). Jeżeli chce się zobaczyć prawdziwe muzeum nauki, trzeba się wybrać do ... - całymi dniami można tam chodzić i ..." (naciskać guziki, przypisek autora). Tymczasem wystawa zorganizowana dość skromnymi środkami (głównie przy zaangażowaniu młodych asystentów (Słupsk), studentów (Warszawa) a nawet licealistów (Białystok) zgromadziła w każdej edycji po kilka tysięcy zwiedzających.
Proste jest piękne
Impreza, zaprojektowana przez prof. Zanettiego z Uniwersytetu w Trydencie, odnosi sukcesy w kraju i zagranicą dzięki kilku jej unikalnym cechom. Po pierwsze, dzięki prostocie eksponatów: wszystkie przedmioty są do nabycia w sklepach z pamiątkami (gadżetami) lub możliwe do wykonania prostymi metodami. Włoskie INFM (w randze naszego PTF) poświęca popularyzacji nauki specjalne sesje i wystawy w ramach swych dorocznych kongresów. Budowane są skomplikowane urządzenia, jak np. model hydrauliczny tranzystora [1] lub wanny elektrolityczne sprzężone z oscyloskopami cyfrowymi do obserwacji interferencji drgań mechanicznych. Żadne jednak z tych doświadczeń nie daje tak bezpośredniego wglądu w fizykę, jak wahający się pisak (harmonograf) [2] lub kilka płytek metalowych podłączonych do woltomierza (do badania potencjałów elektrolitycznych). Eksponaty, stosunkowo niedrogie i dostępne w sprzedaży wysyłkowej [3] nie tylko cechują się duża zawartością know-how naukowego, ale odpowiadają również współczesnym kanonom estetyki i marketingu.
Drugą unikalną cechą "wystawy Zanettiego" jest możliwość dotknięcia prawie wszystkich eksponatów. Na ogół wiadomo, że ciało ludzkie jest dobrym przewodnikiem prądu. Możliwość położenia dłoni na rożnych metalach (aluminium, stal, stal nierdzewna) stwarza jednak wiele możliwości eksperymentowania: czy ręce są wilgotne, czy metal jest utleniony, czy siła elektromotoryczna pozostaje stała. W wielu przypadkach, możliwość dotknięcia eksponatów na wystawie jest tylko pozorna - te łatwo ginące lub tłukliwe (termometr Galileusza, kula plazmowa [2]) są poza zasięgiem ręki, jakby przez przypadek.
I wreszcie podstawowym elementem sukcesu jest drobiazgowe przygotowanie się osób oprowadzających. Zabawki są podzielone w 4-5 działów. Opis każdego z eksponatów jest sam w sobie mini-referatem popularnonaukowym. Większość zwiedzających niewiele pamięta z wystawy - dla studentów, szczególnie kierunków pedagogicznych jest to natomiast ważne doświadczenie dydaktyczne.
Kwarki czy skwarki
Spłycenie programów nauczania oraz ograniczenie znaczenia fizyki jako przedmiotu kształtującego umiejętności dedukcyjno-eksperymentalne ucznia nie wynika tylko z przeprowadzanych reform szkolnictwa. Jest to w dużej mierze proces nieodwracalny, związany z obecnym etapem postępu naukowego w skali światowej i kryzysem państwa jako odbiorcy technologii. Nagromadzanie się faktografii jest obecnie w innych dziedzinach naukowych znacznie szybsze niż w fizyce. Tym bardziej rodzi się konieczność sięgania po niestandardowe metody nauczania, "multimedialne", "kompaktowe", łatwe do rozpowszechnienia i dające uczniowi możliwość wykazania własnej inwencji.
Możliwość wykonania doświadczenia za pomocą prostych, "niezawodnych" przedmiotów spotka się też ze sporym zainteresowaniem nauczycieli. W warunkach szkolnych, ustawienie wanny elektrolitycznej, nawet z wykorzystaniem gotowych zestawów [4], jest często niemożliwe z banalnych powodów bhp, organizacyjnych, czasowych. Nie do końca zdefiniowane programy kształcenia nauczycieli też nie sprzyjają nauczaniu fizyki. (Tu jako rodzic, który przeszedł cały cykl włoskiego 3-letniego gimnazjum, a później liceum, gdzie nauczycielami są zazwyczaj "przyrodnicy", mógłbym wiele opowiedzieć.)
Zderzenie dwóch spadających piłek [5], dokonujące się w trzech wymiarach, w dużej mierze w sposób nieprzewidywalny, daje bardziej poglądowy obraz pędu jako wektora, niż zderzenia kul bilardowych lub obliczenia. Większe zainteresowanie budzą przykłady (pozornego) łamania praw przyrody - stożki wtaczające się pod górę, ptaszki wiszące na dziobach, niestrudzone dzięcioły [6], wiecznie spragnione kaczki [7] - niż ugruntowane zasady zachowania. Oferta dydaktyczna fizyki musi być na tyle interesująca, aby skutecznie konkurować z innymi dziedzinami w dziale przedmiotowym "nauki przyrodnicze". W przeciwnym razie, siłą rzeczy, skwarki wyprą kwarki a glony - gluony.
Naukowe puszczanie bąków
Wbrew pozorom, działania wielu zabawek: niesymetrycznych czółenek [1,8] kręcących się tylko w jedną strone, niezbyt foremnych bąków [9], lewitronów [10] nie jest wcale takie proste do wytłumaczenia. Ich analiza wymaga skomplikowanych obliczeń numerycznych dynamiki ciała stałego w obecności niezbyt dokładnie określonych sił i momentów zewnętrznych (grawitacji, siły tarcia). Odwracający się bąk [5,9] budzi zainteresowanie chemików kwantowych: pojęcia stanów metastabilnych, oddziaływań perturbacyjnych, nieprzecinających się krzywych potencjałów (avoided crossing) przy odrobinie fantazji wykładowcy mogą być wprowadzone za pomocą wirujących bąków. Lewitron, układ czterech magnesów stałych, nie zapewniłby stabilności zawieszenia w powietrzu piątego magnesu, o ile nie byłby on stabilizowany obrotem - podobnie jak w pułapce atomowej Pauliego [11].
Kula plazmowa służyć może wyjaśnieniu szeregu zagadnień, z których najbardziej obrazowe jest prawo Gaussa: sznury plazmy jako linie pola elektrycznego wokół ładunku punktowego. W rzeczywistości wyładowanie w plazmie pod średnim ciśnieniem jest rzadko badane, a sznury plazmowe mogą same w sobie stanowić falowody [12]. Kolor wyładowania jest z kolei określony przez dobór gazu wypełniającego (azot?) oraz lokalną (nierównowagową) temperaturę plazmy. Zapalanie się neonówki w pobliżu kuli, to dowód na propagację fal elektromagnetycznych, ekranowanie tej propagacji przez tkankę biologiczną to ostrzeżenie przed nadużywaniem telefonii komórkowej, itd.
Żarówka energooszczędna plus płyta CD to prosty spektrometr [13,14]. W zależności od wieku i przygotowania słuchaczy może służyć na dowód, że światło białe jest złożeniem rożnych barw, że płyta jest siatką dyfrakcyjną, że przejścia emisyjne w atomie są skwantowane, że lampy sodowe zawierają domieszkę par rtęci, że w niebieskim kolorze bezchmurnego nieba jest sporo koloru czerwonego (nietypowe, niskoenergetyczne przejścia elektronowe w cząsteczkowym tlenie [15]). Plastykowa okładka tej płyty może natomiast ilustrować zasadę rozpraszania Rayleigha w atmosferze (światło nieba jest spolaryzowane) i naprężenia w polimerach.
A celtycki amulet - prawie symetryczny? To niezbity dowód, że mała asymetria ładunkowo-przestrzenna (CP) [16] przy zachowaniu symetrii CPT [17] może być wystarczającym powodem, że czas kręci się tylko naprzód a my się w nim starzejemy.
Literatura
[1] http://www.unitn.it
[2] http://www.wsp.slupsk.pl
[3] http://www.stark-verlag.de
(Physik Boutique)
http://www.natura-co.it
[4] http://www.pasco.com (Pasco), http://www.edsci.com (Edmund Scientific)
[5] G. Karwasz, T. Wróblewski, Czy swiat się kręci w prawo?" Foton,
w przygotowaniu
[6] W. Niedzicki "Fizyka zabawek",Video VHS, Ambernet, Warszawa (1999)
[7] K. Ernst "Wiecznie spragniony ptak" Wiedza i Życie, Wrzesień (1998) 52
[8] J. Walker "The mysterious 'rattleback': a stone that spins in one
directions and then reverses" Sci. Am. 241, October (1979) 148 [9]
[9] W. Zanetti, "Trottola che si ribalta", La Fisica nella Scuola XXVI, 4
Supplemento Q4 (1993) 45
[10] R. F. Gans, T. B. Jones and M. Washizu "Dynamics of Levitron" J.
Phys.D 31 (1998) 671
[11] C. Townsend, W. Ketterle, S. Stringari, Postepy Fizyki 48 (1997)
333
[12] Z. Zakrzewski, "Conditions of existence and axial structure of
long microwave discharges sustained by travelling waves" J. Phys. D16
(1983) 171
[13] D. Pliszka, T. Wroblewksi, M. Brozis, G. Karwasz, "Proste
doswiadczenia ze zródłami swiatła" źFizyka w Szkole (1999) w druku
[14] V. Zanetti "CD optical spectrometer", Am. J. Phys. (1995)
[15] A. Zecca, G.P. Karwasz, R.S. Brusa "One century of experiments one
electron-atom and molecule scattering" Nuovo Cimento 19 No 3, p.1 (1996)
[16] A. Angelpoulos i in. "A determination of the CPT violation parameter
Re (delta) from the semileptonic decay of strangeness-tagged kaons"
Phys. Lett. B 444 (1998) 52
[17] F. Abe i in. "Measurements of the CP-Violation Parameter sin 2beta in
B0d /anti-B0d--> J/psi
K0S Decays" Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 5513