Fyzika a porozumění světu

I v češtině existuje řada učebnic, přehledů a knih věnovaných středoškolské fyzice. Proč psát další? Jedním z důvodů může být zacílení na různé skupiny učitelů a studentů. Dalším pak, že každému studentovi i pedagogovi může vyhovovat jiná forma výkladu. Proto je rozmanitost v nabídce učebnic a knih věnovaných středoškolské fyzice velmi důležitá. Pestrost je důležitá i pro ty, kteří se chtějí k celkovému přehledu základů fyziky vrátit v pozdějším věku.

I když je Tomsův průvodce zaměřen hlavně na ty, kteří se o fyziku, její pochopení a poznání zajímají, není jen pro ty, kteří by se chtěli v budoucnu zaměřit na fyzikální obory. Je pro všechny, kteří chtějí porozumět fungování našeho světa, což bez znalosti logiky fyzikálních základů nejde. Proto se snaží spíše o složitější postupnou cestu samostatného pochopení dané problematiky studentem, než o „pouhé“ její naučení. Hodně staví na pochopení metodiky vědeckého poznávání a postupného logického budování porozumění fyzice. I to je důvodem, proč nejde o pouhý přehled současných poznatků, ale velmi intenzivně se v ní využívají příklady z historie fyziky ukazující, jak se k těmto poznatkům postupně dospělo. Zároveň tak dokumentuje, že fyzika není soubor uzavřených znalostí, na které sedá prach, ale jde o živoucí, stále se rozvíjející nástroj, který umožňuje poznávat a popisovat svět okolo nás. Předkládaný přehled znalostí tak není ukončený. Lze to dokumentovat i na systému definic fyzikálních jednotek (což je základ „chrámu“ fyziky). Ten se vyvíjel a ustavoval i v průběhu psaní knihy a autor o tom s nadhledem informuje.

Jan Tomsa: Norimberský trychtýř aneb Průvodce přemýšlivého studenta středoškolskou fyzikou

Novela Bohemica, 2022, ISBN 978-80-88322-35-1

Rozsáhlá úvodní část je věnována tomu, co fyzika je, jak se vyčlenila v prostoru ostatních vědních oborů a jakou má na ně návaznost. Ukazuje, jaké jsou metodiky zkoumání využívané ve fyzice a jejich podobnosti i odlišnosti od těch, které jsou využívány příbuznými obory. Ukazuje nepostradatelnost matematiky pro fyziku a úlohu fyzikálního modelu a odpovídajícího zjednodušení, zanedbání a zaokrouhlení ve fyzice. Po celou dobu rozvoje vědeckého poznání se matematika a fyzika proplétaly, vzájemně se posilovaly a inspirovaly. Závěrem úvodní části je desatero základních doporučení pro adepta, který se s využitím knihy vydal na cestu fyzikálního poznání.

A protože zmíněnou matematiku považuje za jazyk fyziky, věnuje se v knize také alespoň některým elementárním pojmům potřebné matematiky základní a střední školy. I když je v této části velký důraz kladen na logické postupy a odvozování, nelze se obejít bez naučení a zapamatování potřebných klíčových pojmů a potřebných metodik a postupů. Určité úsilí musí vynaložit i talentovaný student. Mezi fyzikálními veličinami platí různé vztahy a při jejich využití při popisu fyzikálních dějů a řešení úloh musíme znát příslušný fyzikální „pravopis“ a metodologii manipulace s nimi. Důležitý je i způsob využití odpovídajících matematických postupů. Seznámíme se tak s vektory, ba dokonce i s tenzory, derivacemi a integrály. A to přesně na takové úrovni, která je srozumitelná středoškolákovi a pomůže mu při osvojování fyzikálních problémů. Zároveň je velmi užitečná i pro ty, kteří si chtějí připomenout středoškolské základy fyziky v konkrétních oborech, které jsou jim vzdálenější, a to v celkovém kontextu.

Mezi nejdůležitější pojmy patří základní fyzikální veličiny a jejich jednotky. Právě na historii vývoje definic jednotek je soustředěna velká pozornost. Je to dáno i tím, že právě v současné době se téměř dokončila cesta k jejich definování pomocí fundamentálních fyzikálních konstant. Dá se tak předpokládat, že nyní nejspíše na relativně dlouhou dobu zůstane jejich zavedení a definice beze změny. Popisu a osvětlení rozdílu mezi fundamentálními konstantami a těmi ostatními je také oprávněně věnována značná pozornost. Že vývoj v této oblasti probíhá a dokončuje se i nyní, v době psaní učebnice, ukazuje i to, že bylo potřeba se k tomuto tématu vrátit v dodatku.

Tato část zabírá zhruba třetinu knihy, která se tím odlišuje od většiny jiných středoškolských učebnic. Naučí nás pohybovat se ve fyzikálním prostoru a umožní nám pochopit metodologii vědeckého přístupu. Čtenář se k této části může vracet a zvýrazněná shrnutí i vyzdvižená základní pravidla mu umožňují přistoupit k dalším konkrétním oblastem fyziky velice dobře vyzbrojen.

První konkrétní oblastí je mechanika a z ní to, co je opravdu jejím fundamentem: tři Newtonovy pohybové zákony. V současné době, kdy se jedná o vyřazování vysvětlení Newtonových zákonů z vyžadovaných osnov základních škol, je jejich zprostředkování pro středoškoláka o to důležitější. Zavádí se pojem síly a postupně se přes popis gravitační interakce a jejich silových účinků dostáváme k interakci elektromagnetické. Výklad neprobíhá po oborech, ale snaží se postupně budovat strukturovanou stavbu fyziky jako nástroje poznávání. Daří se tak osvětlit řadu souvislostí, které by při jiném typu výkladu unikly.

Zdůrazňuje, že základním kritériem správnosti fyzikálních (i všech vědeckých) hypotéz a teorií jsou výsledky pozorování a experimentu. V závěrečné části knihy je velká pozornost věnována experimentu, měření a určování nejistot (chyb) měření. Studentům osvětluje, jak se realizuje měření a zjišťují hodnoty měřených veličin a jednotlivé typy nejistot měření. Je zde i návod, jak referovat o výsledcích měření a experimentu.

Jako žádný přehled či učebnice nevykládá tento průvodce fyzikou vše detailně a řadu věcí si zájemce bude muset najít jinde. Ale je zdařilým otevřeným obrazem celé šíře fyziky až po tu nejmodernější, spojenou s hledáním popisu struktury hmoty na úrovni mikrosvěta. Zde se snaží o osvětlení prvků, které přináší teorie relativity i kvantová fyzika a její specifika a dopady na proces měření a pochopení jeho výsledků. Své znalosti si ve všech částech může čtenář ověřit na řadě cvičení.

V souvislosti se základními společenskými výzvami, jako jsou například příčiny a dopady klimatických změn i možnosti transformace energetiky a dalších oblastí do nízkoemisní podoby, považuji za důležité, že kniha klade důraz na logiku a pochopení principů. K těmto otázkám se v současné době řada mladých lidí intenzivně vyslovuje a zasazuje se za konkrétní výběr řešení. Je tak důležité, aby to bylo s plným pochopením dané problematiky a dopadů toho, k čemu se vyslovují. Proto knihu doporučuji nejen pedagogům a studentům. Věřím, že díky ní propadne kouzlu fyzikálního poznání řada dalších zájemců, kteří se na cestu k němu vydají. A nepochybuji, že se k ní i v budoucnosti budou moc rádi vracet a v knihovnách bude patřit mezi ty nejohmatanější. Knihu Jana Tomsy jsem si přečetl s potěšením a pro její čtenáře mám otázku: Proč se kniha jmenuje Norimberský trychtýř?