Zakaj astronomija
|
|
Zakaj astronomija
|
|
Z vprašanji, odgovori – z nakazanimi rešitvami - poiščimo pot do boljše vključenosti astronomije v naše življenje, tudi ali pa predvsem v naše šole.
Kaj bi lahko bila (BO?) vsebina predmeta astronomija ali predmeta človek in vesolje?
Kot smo že omenili, zagotovo se lahko uporabi (in po potrebi dopolni)
učni načrt iz leta 2012 – a brez predsodkov razmišljajmo naprej - kaj
in kako predstaviti mladim, kaj (najbrž) spada v srednješolsko astronomijo
in kaj ne? Kakšno izmed tematik smo že osvetlili v uvodnih tekstih.
Pa začnimo z vprašanji in delno z odgovori in trditvami.
Naštejmo po točkah, kaj vse bomo predlagali. Posamezne točke
pa bomo naknadno osvetlili
in
nakazali možne vsebine, pa tudi dileme.
1)
Osnovne sile v vesolju
2)
Geometrija in njena uporaba na zvezdnem nebu
3) Zodiakalna ozvezdja - od horoskopa do precesije
4)
Keplerjevi zakoni
5)
Uvod v kozmologijo in starost vesolja
6)
Astronomija in njeni vplivi na druge vede
7)
Dogodki na nebu, koledar in čas
8)
Opazovanja in izsev ter izračun površinske temperature zvezd
9)
Kako dolgo živijo zvezde
10)
Površinske temperature zvezd in njihovi spektri
11)
Pomen Lune za Zemljo
12)
Mrki in merjenje razdalj v antiki in mrki danes
13)
Zakaj je Einstein bolje opisal vesolje kot Newton
14)
Ponovitev staroveških opazovanj (pred uporabo teleskopov)
15)
Kje opazovati?
16)
Optika in teleskop
17)
Radijska astronomija
18)
Oprema, ki jo priporočamo učencem
19)
Uvod v vprašanje, zakaj smo in koliko časa še bomo
20)
Simboli iz starih svetišč – vraževerje ali astronomija, ki je tlakovala pot
v moderni svet spoznanj
21)
Zmote in uspehi astronomija v kontekstu časa
22)
Sonce in Luna sta vredna vse pozornosti
23)
Vesolje kot pospeševalnik osnovnih (kozmičnih) delcev
24)
Ali horoskop uporabiti v prid astronomiji ali se z macolo spraviti nanj?
25)
Poleti v vesolje, popularna glasba in prispevek Slovencev
26)
Raketna tehnika se je začela z zabavo
27)
Zvezde in atomi - iz česa smo narejeni in zakaj?
28)
Življenje v vesolju – to, da smo, ni samoumevno
29)
Fizikalne enote skozi zgodovino, izbira simbolov, številk
30)
Fizika velikih hitrosti in pospeškov.
31)
Praktične vaje pri pouku astronomije
32)
Literatura za učence
Vis, ki ste namrščili obrvi ob tako obširni seriji člankov
o astronomiji v šoli, naj takojpotolažimo, da bo vsebina teh 32 poglavij
koristila vsem, ki jih astronomija zanima, pa čeprav nikoli več ne bodo šli
v šolo (so jo že končali). Te vsebine so namreč tista osnova, ki bi jo morali imeti
vsak, ki ga zanima astronomija, bodisi teoretično, bodisi praktično.
Pa začnimo.
ZA SPREMEMBO ZAČNIMO TOKRAT ASTRONOMIJO NEKOLIKO DRUGAČE, IZHAJAJMO KAR IZ OSNOVNIH SIL NARAVE
1) Osnovne sile v vesolju
- in za našo šolsko tradicijo še dva (najbrž) nova koncepta
Uvodna slika, tabela osnovnih sil narave, je lahko odličen uvod v astronomijo,
ki hkrati ponuja dva (za našo tradicijo) dokaj nova koncepta opisa sveta, vesolja?
Pri obravnavanju ostalih poglavij, se lahko tako tudi zmeraj znova sklicujemo
(vračamo) na osnovne sile (na temelj). Tak pristop omogoča tudi zelo organsko
in logično podajanje snovi! Prvi koncept je torej zajet že kar v naslovu –
in sicer, ko predrzno začnemo razlago vesolja, sveta, preko štirih osnovnih
sil narave. Na sliki je podan še njihov domet, relativna velikost (jakost)
in podatek med katerimi telesi, delci, delujejo posamezne sile. IN še - iz
slike je že kar razviden tudi drugi koncept, vse sile na sliki imajo podane
tudi nosilce sil - vi so bozoni (to so fotoni, bozoni šibke šile, gluoni,
morebiti gravitoni). Povejmo,
da gravitonov še niso odkriti, in da tudi ni dorečeno, kako uskladiti
ukrivljen prostor-čas in silo gravitacije preko gravitonov, saj bi naj
bila sila gravitacije na veliki skali le posledica, odraz, ukrivljenosti ...,
a v svetu atomov, v kvantni sliki, gravitaciji težko pripišemo kašen večji
vpliv ali pač.
Povejmo še, da
glede na današnje spoznanja velja, da se delci narave delijo na
fermione in bozone. Preprosto povedano:
fermioni so v glavnem tisti gradniki, ki se povezujejo z obstojem materije (elektroni, protoni,
nevtroni, kvarki ...), medtem ko so
bozoni v glavnem prenašalci sil (bozoni torej tudi "lepijo", družijo ta naš svet osnovnih delcev
v protone [preko kvarkov], nevtrone,
atome, materijo, v planete, osončja,
v galaksije ...).
Zakaj je koncept nosilcev sil – delcev polj – tako pomemben!?
V naših šolah še zmeraj živi sporen Newtonov koncept hipnih (neskončno hitrih)
sil na daljavo, ki torej kršijo načelo, da nobena sprememba (recimo sile)
ne more potovati hitreje od svetlobe (nobena energijska sprememba ni neskončno hitra),
in da je najbrž sila, pri kateri ne povemo, kateri delci jo prenašajo,
precej skregano z vsakdanjo izkušnjo (podamo pa analogijo, primer nosilca
sile iz sveta velikih teles - mladi brez večjih zadržkov razumejo poanto
delovanja na drugo osebo s podajanjem žoge). Na nedoslednost neskončno
hitre sile so opozorili fiziki, z Einsteinom na čelu, že na prehodu iz
19. v 20. stoletje, ko so že pomerili, da je hitrost svetlobe maksimalna
možna hitrost prenosa energije, in da svetloba, elektromagnetno valovanje,
ne potrebuje snovi (etra) za prenos v prostor (zvok recimo potrebuje
medij - zrak, vodo, neko telo ...). To spoznanje je rodilo posebno in splošno
relativnost in hkrati kvanti mehaniki omogočilo pravilnejši opis osnovnih
sil sveta, vesolja. Tisto, kar torej lahko dodamo novega pri podajanju
astronomije je, da poudarimo, da je koncept delcev, ki prenašajo sile,
precej bolj smiseln, in da brez tega koncepta ne moremo razumeti fizike
osnovnih delcev, gradnikov narave, vesolja in tudi ne modernega razvoja
znanosti, fizike, astronomije, kozmologije ... A to ni zgolj koncept na papirju,
ampak ga potrjujejo meritve, tako kozmičnih delcev, kot rezultati pospeševalnikov
delcev. V zadnjih desetletjih smo tako odkrili, potrdili W±, Z bozone za prenos šibke
sile, povzročajo recimo (W-) razpad nevtrona v proton, v elektron in nevtrino.
Potrdili smo skrivnostni Higgsov bozon, ki je na račun upočasnitve hitrih
delcev v mladem vročem vesolju, del prvotne gibalne energije delcev pretvoril
v maso m = E/c2, v naše gradnike, recimo v kvarke. In še kako pomembno -
detektirali smo tudi bozone gluone – delce močne jedrske sile, ki »lepijo«
(te masne delce, ki jih je omogočilo Higgsovo polje, bozon) torej kvarke
v protone, v nevtrone; seveda tudi protone in nevtrone preko pionov
v atomska jedra, v naš svet. V tekstu se bomo še večkrat sklicevali
na delce polja, na nosilce sil, od katerih imajo nekateri lahko maso,
drugi pač ne. Tako smo v zadnji desetletjih vsi presenečeni tudi spoznali,
da so »bedaki« vso atomsko znanost spet postavili na glavo (kot je to
naredil, mu je bilo očitano, znameniti trojček 3K - Kuzanski, Kopernik,
Kepler - pred stoletji s Sončevim sistemom - s trditvijo, da majhni potepinski
planeti potujejo okrog velikih zvezd), da je v svetu atomov le kak procent
materije (recimo, da v kvarkih). Vse ostalo so energije, interakcije (delovanje)
nosilcev sil (brezmasnih gluonov med kvarki, kinetičnih energij samih kvarkov
znotraj protona, nevtrona), kar posredno čutimo kot maso preko povezave (m = E/c2).
Ne samo, da je atom, kar se tiče porazdelitve materije, skoraj prazen,
tudi njegovo »masivno« jedro (protoni, nevtroni) so praktično skoraj
»prazni« (le kvarki imajo morebiti kak odstotek mase), vse ostalo je
energija nosilcev (gluonov) močne jedrske sile – kar smo do sedaj,
kot smo že omenili in bomo omenili še nekajkrat, razumeli kot materijo,
a je v resnici le odraz energije (deljene s kvadratom svetlobne hitrosti).
Ali torej že takoj na začetku predstaviti fiziko osnovnih delcev
(le osnove) in štirih osnovnih naravnih sil skozi razvoj vesolja?
Ja – to bi bilo skoraj nujno!
* Elektromagnetna sila – tvori atome in molekule; * šibka jedrska
sila – povzroča recimo radioaktivni razpad beta; * močna jedrska
sila – veže kvarke v protone, nevtrone in preko pionov tvori atomska
jedra; * gravitacijska sila – s privlačno silo tvori svet galaksij,
zvezd, planetov. Vse sile imajo nosilce sil (večkrat se nosilce sil
prikaže s prispodobo dveh čolnov, ki se oddaljujeta zaradi izmenjave
žog med potnikoma, čolnoma). Nosilci sil so bozoni - to so fotoni, bozoni šibke sile, gluoni,
[gravitoni ?, ti še niso odkriti] – glej sliko.
Elementarni bozoni so Higgsov bozon, foton, gluoni,
Z in W± bozona, morda obstaja še šesti bozon graviton.
Vsi našteti delci so odgovorni za osnovne interakcije - so nosilci sil!
Koliko nameniti kvarkom, bozonom [Higgsov bozon ?], delcem – antidelcem;
ali omenimo Planckove enote, kaj o inflaciji in začetkih vesolja v povezavi
z delci [?] ... Lahko, da ta poglavja predstavimo, a le delno preverjamo znanje
(kaj se zahteva pri preverjanjih znanja, se točno določi). Mladim je potrebno
tudi kdaj kaj predstaviti zaradi splošne izobrazbe in razumevanja aktualnih
trendov, raziskav, pojmov iz sveta atomske fizike, razumevanja Nobelovih
nagrad, novih tehnologij. Kot smo to že omenili, imamo (tudi mladi)
nadvse moderne vesoljske tehnologije kar v žepih ali ob posteljah
24 h na dan ...
Brez večjih zadržkov razumemo poanto delovanja na drugo osebo s silo preko podajanja žoge – in to je koncept, ki je del razlage osnovnih naravnih sil (le da so delci osnovnih sil seveda razvozlani iz nadvse natančnih meritev in domišljenih teoretičnih konceptov). Pri oddaji ali sprejemu žoge (slika zgoraj) velja koncept ohranitve gibalne količine in akcije ter reakcije (podobno kot pri raketnem motorju – a zaradi dela se bo kinetična energija sistema večala). Pri čolnih takoj vidimo, da se bosta na začetku oddaljevala z večjim pospeškom – saj si dekleti žogi podajata na krajši razdalji (hitrosti čolnov so tudi manjše) in si bosta, v enakem časovne intervalu, zato na začetku večkrat podali žogo (sunek sile na posamezni čoln bo večji in bolj pogost) kot proti koncu podajanja (ko je pot žoge daljša, čolna hitrejša). Tako iz preprostega primera iz sveta velikih teles razberemo, da se sila spreminja z razdaljo (večja je razdalja, manjša je efektivna sila, pri električni sili je ta odvisnost 1/r2 – bomo izpeljali), in da se lahko zgodi, da je doseg sile omejen – ko sta čolna dovolj daleč, se namreč prenos žoge in s tem sile, konča (podobno kot pri radioaktivnem razpadu β-, kjer bozona W- prenaša šibko jedrsko silo znotraj nevtrona na razdalji okrog 10-18 m). Pri elektromagnetni sili pa so prenašalci fotoni, ki delujejo v neskončnost, a ker sila pada 1/r2, se tudi vpliv električne sile hitro zmanjša. Tudi sila gravitacije pada s kvadratom razdalje 1/r2 – a nosilca sile trenutno še nismo odkrili. Gravitacija (ukrivljenost prostor-časa) je sicer relativno šibka sila, a je njena prednost delovanje po celotnem vesolju in je posledica mase (zbrane energije E/c2) in je tako odgovorna za nastanek zvezd (kovačnic težkih elementov), planetov (nosilcev življenja), za tvorbo galaksij, bodočnost vesolja ...
Feynmanovi diagrami ali grafi - vpeljal jih je ameriški fizik in matematik
Richard Phillips Feynman leta 1948 (podobne sheme sta podala tudi Ernest
Stückelberg in Freeman John Dyson). Diagrami so pomoč za računanje sipalnih
presekov za interakcije med kvantnimi delci. Z njimi predstavimo prispevek motenj
k amplitudi kvantnega prehoda iz nekega začetnega kvantnega stanja v neko končno
kvantno stanje preko nosilcev osnovnih sil. Delci v začetnem stanju so prikazani
s črtami, ki kažejo smer začetnega stanja (npr. z leve), delci v končnem stanju
pa so predstavljene s črtami, ki kažejo smer končnega stanja (npr. desno) –
vmes pa nastopijo nosilci sil - bozoni. Pri elektromagnetni sili so nosilci sil fotoni,
pri razpadih – šibka jedrska sila - pa bozoni (W±, Z); gluoni pa pri delovanju
močne jedrske sile (recimo med kvarki v nukleonih ali med nukleoni v jedru preko
pionov). Toliko za začetek – da se čim prej navadimo na delce, ki prenašajo
sile v tem našem svetu in s tem bistveno določajo dinamiko vesolja in dinamiko
nas samih – tudi naše razmišljanje ...
Na koncept opisa sveta preko sil in nosilcev sil, se bomo večkrat vrnili,
sklicevali.
Se nadaljuje ...
Zorko Vičar
Korona pomlad 2021