N103 Atomfysikk 1

Når man skal forklare atomene og fenomen knyttet til disse er det nødvendig å bruke modeller. I praksis har det vist seg at det er to modeller som er nyttige i denne sammenhengen. På den ene siden har man en partikkelmodell hvor man tenker seg at byggesteinene i atomene er kuleformede partikler som vekselvirker eller påvirke hverandre ved hjelp av krefter. På den andre siden har man en bølgemodell som blant annet er nødvendig for å kunne forklare fenomenet interferens. Nå er disse modellene relativt enkle å forstå hver for seg blant annet fordi det er mulig å sammenlikne med partikkelfenomen og bølgefenomen som vi kan observere i dagliglivet. Årsaken til at mange likevel oppfatter atomfysikk som vanskelig å forstå er en antakelse om at naturen er dualistisk. Det vil i praksis si at de ulike elementene man finner i et atom er både bølge og partikkel samtidig. Rent logisk sett er bølge og partikkel uforenelige størrelser i tilknytning til et objekt og derfor kalles often denne dualiteten for et paradoks. I pedagogisk sammenheng er paradokser eller selvmotsigelser et problem, og det hadde derfor vært ønskelig å kunne presentere en atommodell fri for selvmotsigelser til elevene. Så langt er vel de fleste enige. Den store prinsipielle uenigheten i forbindelse med atomfysikk og beslektede emner er da om naturen virkelig er dualistisk, eller er det bare en ubevist påstand som mange har valgt å tro på.

Et hovedmål i denne presentasjonen er å gi et mest mulig objektivt innsyn i hva slags argumenter man har for å påstå at naturen er dualistisk, slik at man selv kan danne seg sin egen mening som grunnlag for egen forståelse og undervisning. I utgangspunktet er den såkalte aksepterte atommodellen basert på en antakelse om at naturen er dualistisk. Når vi her presenterer denne vil vi i størst mulig grad prøve å gjøre leseren oppmerksom på hva det er i den aktuelle atommodellen som hviler på antakelser og hva som hviler på generelt aksepterte fakta. I neste omgang vil vi så kort presentere en alternativ atommodell basert på en elektromagnetisk modell (em-modellen) hvor man antar at de ulike komponentene enten er partikkel eller bølge.

I andre sammenhenger er denne alternative modellen kalt for ny fysikk i motsetning til moderne fysikk. Ny fysikk er da basert på klassisk fysikk som da har en lengere historie enn moderne fysikk som da er basert på relativitetsteorien og kvantemodellen som så dagens lys omkring 1900. Disse siste teoriene har da innebygd endel paradokser som f.eks at lyshastigheten er en absolutt størrelse som gjør at rom og tid blir relative og at alt i naturen har en dualistisk natur. I de følgende sidene har vi også inkludert lenker til omtaler av noen av de såkalte bevisene for moderne fysikk.

For at ikke innføringen i emnet atomfysikk skal bli for "bratt", vil vi her plukke ut noen klipp fra noen populærfremstillinger. Vi vil så prøve å få fram noen sentrale poeng gjennom noen mer eller mindre uavhengig og kritiske kommentarer fra en ekstern "guide".

Etter dette er det så meningen at vi går litt i dybden innenfor ulike faglige emner under overskriften radioaktivitet. Hovedmålet for begge skrivene er da å gi en bakgrunn for å undervise om atomfysikk i grunnskolen.

Atomfysikk - slik den vanligvis presenteres

Vår første guidet tur inn i atomfysikkens verden går da via en historiemodell fra UiO og videre inn i nettsiden Fysikknett.no som vel er det nærmeste man kan komme en helhetlig populærvitenskapelig presentasjon av hva slags atommodel som er akseptert i norske fysikkmiljøer.

I det følgene er "guidens" kommentarer samlet utenfor rammene. Her følger først en historisk oversikt som fra Universitetet i Oslo som setter kvanteteorien og standardmodellen inn i en sammenheng.

Kommentar: En mulig konklusjon utfra dette og andre tilsvarende skriv er vel at det ikke bare finnes en akseptert atommodell, men mange med et varierende antall tilhengere. Årsaken er da rett og slett at de vitenskapelige miljøene består av ulike mennesker som er uenige om mangt og mye. Denne uenigheten går da både på innholdet i ulike modeller og på den generelle settingen eller rammebetingelser. Her har vi da først valgt å presentere en historisk oversikt fra nettsidene til Universitetet i Oslo som viser en mulig tilnærmingsmåte til det aktuelle problemet. Her skiller man f.eks. mellom kvanteteori og standardmodell, mens andre vil oppfatte disse to sider av samme sak. Andre steder kan man finne en større vektlegging av forskjellene på såkalt klassisk fysikk og moderne fysikk, men dette er da tilsynelatende et ikke-tema her. Poenget her er da bare å understreke at den generelle settingen som man etablerer før man fordyper seg i et tema kan være avgjørende for hva slags konklusjoner man ender opp med.

Det er ellers interessant å legge merke til at antall partikler som trenges for å forklare ulike observasjoner er svært stort, og det kan i seg selv være et tegn på at det er noe fundamentalt galt, når man tilsynelatende trenger nye forklaringer når man skal forklare nye observasjoner fra 1950 og utover. På den andre siden har vi da em-modellen som vi skal komme tilbake til. Denne forklarer da alle observasjoner ved hjelp av de to første elementærpartiklene som ifølge skjemaet ble oppdaget før 1920.

Her følger så en kort introduksjon til atomfysikk ved hjelp av "utplukk" fra nettsidene til fysikknett: (http://www.fysikknett.no/index.php)

Tilsynelatende representerer nettstedet det man kan kalle for aksepterte synet på hva man vet om blant annet atomene. Her er det da plukket ut noen tekster og bilder fra det aktuelle nettstedet som bakgrunn for en rask innføring i temaet atomfysikk. Det som er skrevet utenom rammene er da ment å være noen pedagogiske innspill som problematiserer om nettsiden er oppklarende og forståelig i forhold til de spørsmålene som vanligvis dukker opp i denne sammenhengen og til ulike vitenskapelige prinsipp.

Når man skal sette seg inn i et nytt emne er det viktig at man gjør visse avgrensinger og i dette tilfelle konsentrere man seg altså om naturens minste byggesteiner atomene som har en størrelse omkring 10^-10m

Når man så forhåpentligvis har klart og skifte målestokk og alle forstår at atomene er mye mindre enn f.eks. DNA-molekylene, er det naturlig å prøve danne seg generelt bilde av hva atomene gjør og hvordan atomene ser ut.

Denne kjernen mente man så hadde en størrelse omkring 10^-14m som da var ca 1/10000 del av atomstørrelsen(10^-10m).

En mulig reaksjon er at dette høres ufattelig ut, og vi bør kanskje ikke helt se bort fra at det nettopp er det det er...

Generelt kan man da si at atomene er byggesteiner i ulike kjemiske stoff og det er da de ulike atomene som i bunn og grunn bestemmer fysiske og kjemiske egenskaper til ulike stoff. Derfor er det naturlig å prøve å forklare hvorfor atomene oppfører seg slik de gjør, og her vil vi derfor konsentrere oss om de bestanddelene i atomet som er opphavet til ulike egenskaper ved atomet.

I den aktuelle nettsiden nevne mange forskjellige partikler uten at man vel egentlig sier noe om hvordan de virker utad eller hvorfor man vet at de eksisterer. Man kan da finne litt om dette andre steder på nettsiden, men for at leseren ikke skal "drukne" i mindre vesentlige detaljer vil vi her konsentrere oss om de to mest grunnleggende partiklene man med sikkerhet vet finnes i atomer:

Hvis vi så prøver å danne oss et bilde av størrelse og plassering til disse partiklene, så kan vi ta utgangspunkt i ei kule med diameter 10 m som vil kunne romme en liten enebolig. Om vi tenker oss at denne kula er en modell av et atom så vil kjernen i dette atomet ifølge teksten ovenfor være ca 1mm stor og denne kjernen vil da inneholde et visst antall proton som da vil være ca 0,1 mm store. Elektronene på sin side vil befinne seg langs overflaten av atomet og størrelsen til disse vil være mindre enn 10-7m (0,0001 mm) som da vil være så lite at det ikke ville være synlig med vanlig mikroskop.

Et hovedspørsmål i denne sammenhengen er da om dette er en atommodell som kan forklare atomenes ulike egenskaper på en forståelig måte? Noen vil si at modellen skaper flere spørsmål enn den løser og de mener da at andre atommodeller bør brukes. De fleste har tilsynelatende valgt å akseptere denne atommodellen som sannheten om hvordan atomene ser ut, på tross av at de oppfatter den som uforståelig.

Her og andre steder sies det at vitenskapsmenn tror, (de kan altså ikke bevise at atomene virkelig er slik som modellen beskriver) og det i seg selv kan vel oppfattes som en oppfordring til å være på utkikk etter alternative modeller! Det er imidlertid mest vanlig at man møter forskere som sier at alle alternativer til denne atommodellen er uvitenskapelig fordi de mangler støtte blant vitenskapsfolk. Er dette et fornuftig prinsipp?

Hydrogen er det enkleste atomet vi kjenner som da består av et elektron og et proton og man skulle derfor forvente at man i det minste kunne beskrive dette atomet på en enkel og forståelig måte. Med bakgrunn i ovennevnte beskrivelse kan det kanskje være nærliggende å tenke at det er et mål med de aktuelle nettsidene at leseren ikke skal forstå hvordan atomene egentlig ser ut. Til de som i møte med slike beskrivelser er fristet til å tro at det er noe feil med dem selv siden de ikke forstår det "enkle" hydrogenatomen, så vil jeg her bare understreke at jeg ikke har møtt noen som har klart å overbevise meg om at de virkelig forstår den atommodellen som er beskrevet her. I denne sammenhengen kan det være nyttig å tenke på eventyret om keiserens nye klær. I eventyret var det noen skreddere som klarte å lure kongen og hans hoff til å tro at kongen hadde klær på seg selv om ingen så klærne. Kan det tenkes at vitenskapsfolk er blitt lurt til å tro at den omtalte atommodellen er vitenskapelig mens den i virkeligheten ikke kan forklare noe som helst av de egenskapene som atomene har?

Men om det ikke er mulig å gi noe annet en "tåkebilder" av hvordan atomene ser ut, så kunne det likevel være kjekt å vite litt mer om hvorfor atomene oppfører seg slik de gjør. I denne sammenhengen er krefter et sentralt begrep. Hva slags krefter virker f.eks. mellom atomene og inn atomene mellom de ulike partiklene som atomet består av?

Er dette et forståelig svar på et relevant spørsmål? Er dette oppklarende i forhold til problemer man har lurt på eller skaper slike presentasjoner mer forvirring? Om du mener nei, så kan det kanskje være en trøst at du ikke er aleine. Det er f.eks. ikke lett å forstå hvordan det at noe mer grunnleggende sendes mellom partiklene kan skape tiltrekningskrefter.

Dette er en oppsummering av de forskjellige vekselvirkningene, deres kraftbærende partikler, og hvilke partikler de virker på:

(http://www.fysikknett.no/partikkel/inter_summary.php)

Betyr dette f.eks. at når vi observerer magnetiske krefter mellom to magneter, så skyldes det at de to magnetene utveksler fotoner? Lyset som treffer magnetene og som gjør at vi ser dem, er også fotoner. Er det en sammenheng? Dette er eksempler på spørsmål som kan dukke opp etter at man har lest de aktuelle sidene. Generelt kan man da sette et spørsmålstegn med en modell som tilsynelatende reiser flere spørsmål enn den løser.

At et atom i gitte situasjoner kan sende ut partikler som finnes i atomet er forståelig, og det som er skrevet her er det da generell enighet om. For noen vil det kanskje være et problem å få høre at beta-partiklene kommer fra kjernen og ikke fra den delen av atomet som inneholder elektron. Når vi samtidig vet at et nøytron omdannes til et proton når det sendes ut en beta-partikkel, så er det vel naturlig å tenke at et nøytron består av et elektron og et proton. Men det sier man ikke på den aktuelle nettsiden. I stedet får man det inntrykket at det skapes en ny partikkel i kjernen når en betapartikkel sendes ut.

Det at nye partikler kan skapes og forsvinne er et kjennetegn på standardmodellen som er presentert på den aktuelle nettsiden. På den andre siden tilsier erfaringer fra dagliglivet at det vi omgir oss med er forholdsvis stabilt. Det kan omformes, men ikke skapes eller forsvinne til intet. Hvorfor skulle da naturens byggesteiner være av en helt annen natur?

Dette beskriver et forsøk av den typen som gjør at noen i vår tid tror at det finnes så mange ulike partikler i atomene. Det som skiller de aktuelle artiklene er da i hovedsak masse og ladning. De som er skeptisk til påstandene om at det er så mange ulike grunnpartikler, mener da vanligvis at det er snakk om to ulike grunnpartikler med motsatt ladning (proton og elektron) og de partiklene man observerer som er nøytrale (eks nøytron) er da rett og slett sammensatt av et elektron og et proton. Når så de aktuelle forsøkene viser at det finnes ulike "partikler" med ulik masse, så er det da egentlig snakk om at grunnpartiklene har mer eller mindre indre energi og det vil da fremtre med ulik masse. Dette vil vi komme tilbake til i den andre modellen, men mange som leser det overstående vil sannsynligvis lure på hva som skiller de ulike partiklene som er nevnt her og det har vi da prøvd å få fram her.

Når det så gjelder eksempler på de ulike partiklene så er det vel et faktum at det bare er elektron og proton som er lette å fremskaffe. I fra en pedagogisk synsvinkel så kan det kanskje være fornuftig å konsentrere seg om disse fordi det er dem som er den direkte årsaken til de fleste, om ikke alle egenskapene vi finner i atomene.

Denne oppsummeringen antyder vel at de som tror på standardmodellen av atomet, er villig til å vurdere andre modeller. Praksis har imidlertid vist at det er svært vanskelig å få til en diskusjon omkring de grunnleggende problemområdene som er nevnt her. Det man vanligvis er villig til å diskutere er da mindre justeringer og man er tilsynelatende ikke villig til å sette spørsmålstegn med helheten.
Men generelt kan vi vel si at hvis aktoratet i en vanlig rettsak hadde presentert så mange "hull" i en aktuelle sak, så er det lite sannsynlig at retten hadde dømt noen. Utfra et slikt perspektiv er det et tankekors at noen kan være så sikker på at standardmodellen er rett (minus små justeringer) selvom man er langt fra det vi kan kalle vitenskapelig bevis.

Nå har nok ikke det vitenskapelige miljøet lest korrektur på den aktuelle nettsidene og følgelig er det også endel direkte feilaktige påstander på de aktuelle sidene. Når man her f.eks. påstår at man får interferensmønster ved å sende elektroner gjennom to hull i en vegg, så er dette et eksempel på en vanlig misforståelse som det vitenskapelige miljøet tilsynelatende ikke er i stand til å luke bort. Hadde det vært mulig å gjøre det forsøket som er vist i figuren ovenfor, så hadde dette vært et rimelig godt argument for elektronets bølgenatur fordi det hadde vært vanskelig å forklare det aktuelle mønseteret om vi betraktet elektronet som en partikkel. Men faktum er at de forsøkene som historisk er gjort for å "bevise" elektronets bølgenatur er gjort på helt andre måter og disse kan da også forklares utfra en partikkelmodell av elektronet. (Elektroner og dobbeltspalt)

Det at de aktuelle nettsidene erkjenner at kvantemodellen inneholder paradokser er positivt i seg selv siden paradokser eller selvmotsigelser i en teori ofte er en klar antydning om at man bør se seg om etter noe annet. I tradisjonell vitenskap har paradokser/selvmotsigelser vært brukt som bevis på at en utledning eller en teori er feil, og slike er det vel fortsatt i f.eks. matematikk og teknologrelaterte disipliner. Men i de disiplinene som vi kan kalle moderne fysikk, har man snudd det hele på hode og akseptert selvmotsigelser som en del av teorien. I praksis betyr det at det blir umulig å falsifisere ting på et slikt grunnlag. Mens man i andre disipliner vanligvis følger tradisjonelle vitenskapelige retningslinjer og inkluderer beskrivelser av forsøk/observasjoner som eventuelt kan falsifisere det man presenterer fordi det er et krav om at ting i prinsippet skal kunne falsifiseres for at det skal kunne kalles vitenskapelig. Det er sjeldent å finne dette i moderne fysikk.

I moderne fysikk synes derimot hovedpoenget å være å argumenter for paradoksene/selvmotsigelsene i stedet for å følge anerkjente vitenskapelige prinsipp som går ut på å unngå dem. Mange vil derfor si at moderne fysikk mer fremstår som et religiøst dogme som da kjennetegnes at man inngangsporten er å akseptere et dogme. Generelt bør man være skeptisk når noen i vitenskapens navn antyder at vi er nødt til å leve med paradokser. Det betyr samtidig at vi forlater falsifiseringsmuligheten og andre sunn-fornuft prinsipp som har vært en integrert del av det vi kan kalle sunn vitenskap.

Nå er det i og for seg ikke noe stort problem at noen mennesker bruker masse tid og penger på det vi kan kalle moderne fysikk. Men siden det i stor grad er offentlige midler som går inn her, har det i den senere tid kommet endel innvendinger fra ulikt hold. Private firma på den andre siden bruker minimalt med penger i forhold til denne typen "paradoksforskning", og grunnen er åpenbar. Den har vist liten nytteverdi for samfunnet, men det er sikkert kjekt for de som tror på det.

Hovedproblemet i denne sammenhengen er imidlertid at diverse initiativ som går ut på å forklare atomære forhold uten paradokser blir motarbeidet. Det er f.eks. svært vanskelig å få inn omtale av alternativer til moderne fysikk i vitenskapelig sammenhenger slik at disse alternativene kan underlegges en ordinær vitenskapelig evaluering. Man tror tilsynelatende at moderne fysikk (kvantemekanikk, relativitetsteori og kinetisk partikkelteori) er de eneste teoriene som kan forklare atomene. Derfor er det heller ikke nødvendig å evaluere alternative måter å forklare naturen som da ikke inkluderer de paradoksene/sjølmotsigelsene som i presentasjonen ovenfor beskrives som et slags grunnleggende faktum. Diverse forsøk på å få evaluert den atommodellen som følger er hittil mislykkes, enten fordi de som har makt over vitenskapelige publikasjonskanaler enten tror at moderne fysikk er sannheten og alle alternativer vil dermed være feil, eller fordi det blir oppfattet som en usolidarisk handling å gjøre en seriøs evaluering av alternative forklaringer.

En alternativ elektromagnetisk atommodell

Her følger så en kort innføring i en alternative atommodell som er enkle å forstå fordi den inneholder få grunnpartikler(to) og ingen paradokser. Dessuten er den basert på de klassiske vitenskapelige prinsippene som har bevist sin nytteverdi i teknologirelaterte vitenskapelige disipliner. Hvorfor hører man da så lite om slike alternativer? En grunn er vel at private firma som bruker disse prinsippene i sine arbeider ikke ser det som sin primære oppgave å dele kunnskapen sin med konkurrentene. En viktigere grunn er nok at denne modellen blir oppfattet som en konkurrent til "det som vitenskapen tror", og derfor blir det sensurert bort i ulike vitenskapelige fora.

I praksis kan man finne elementer av klassiske modeller i mange sammenhenger som f.eks. lærebøker, og årsaken er da at rett og slett at det er de klassiske fysikkprinsippene som fungerer i praksis. Sensur gjør seg imidlertid gjeldene når noen prøver å samle ulike klassiske prinsipp til en helhetlig forklaring/teori/modell. Da vil noen føle det som en trussel mot deres egen "aksepterte" modell.

En kort innføring i EM-modellen

Vanligvis opplever vi at massen til et legeme øker med størrelsen. Men det gjelder da ikke grunnpartiklene i naturen. Tilsynelatende kan dette virke som et paradoks, men det er da en direkte følge av klassisk elektromagnetisme. Om vi tar utgangspunkt i vanlige forsøk med elektriske ladninger, så vil vi her oppdage at den elektriske ladningen vil legge langs ytterkanten. Indre deler av vil da være tilnærmet nøytral. Om vi så antar at de positive og negative grunnpartiklene har all ladningen langs overflaten og ingenting inni, så har vi noe som det knyttes mer krefter til jo mindre det er.
Når det så gjelder massen til grunnpartiklene så er det derfor ikke urimelig å si at den øker med mengden elektrisk felt omkring ladningen eller eventuelt ladningstettheten i overflaten. Begge disse vil øke jo mindre diameteren av ladningen er. Dette vil gjelde om totalladningen er konstant, og alle forsøk tyder på at dette er tilfelle.
Det at ladningen blir mindre jo fortere den spinner er også forventet utfra elektromagnetismen som da forteller at ladninger som beveger seg sammen vil bli trukket enda mer sammen.

I andre atom-modeller er det vanlig å anta at elektronet går i bane rundt protonet. Den tilhørende sentrifugalkraften vil i tilfelle kunne forklare hvorfor ikke det negative elektronet "klapper sammen" med det positive protonet i hydrogenatomet. I følge em-modellen er det da magnetiske krefter forårsaket av spinn (rotasjon om egen akse) som motvirker de elektriske tiltrekningskreftene og hindrer at atomet klapper sammen. Dette betyr at problemet med energitap fra akselererte elektron omkring en positiv kjerne, ikke er et problem for em-modellen. Ei ladning kan altså spinne eller dreie om sin egen akse uten å miste energi.

Hovedforskjellen mellom vanlige atommodeller og denne atommodellen er vel at elektronene ikke går i sirkelbaner, men at de har faste plasseringer i en tredimensjonell struktur ifølge em-modellen. Denne er da til forveksling lik kjemikernes måte å fremstille elektronenes plassering i molekylene.

Protonene og elektronene er også mer sammenblandet enn i vanlige atommodeller som plasserer alle protonene i kjernen og alle elektronene omkring. En årsak til denne omorganiseringen er da et prinsipp om at det trenges et elektron for å binde samme to proton i f.eks. helium. De magnetiske sammenbindingskreftene er forårsaket av dreiing av ladningen omtrent som tannhjul i et urverk, og for at de magnetiske kreftene som oppstår i de ulike atomene skal stabilisere atomet må f.eks. to nærliggende proton dreie via et elektron for at det skal oppstå en tiltrekningskraft mellom protonene. Dette forklarer da hvorfor det ikke finnes Helium uten elektron(nøytron) i kjernen.
Nå er det kjemikere som vanligvis er opptatt med hvordan ulike atomer bindes sammen. I denne sammenhengen kan det da være interessant å observere at kjemikernes atommodeller og molekylmodeller er forholdsvis forutsigbare med hensyn på hvor ulike sentrale bindingselektroner befinner seg og dette i seg selv kan vel oppfattes som et argument for emmodellen og mot de elektronskyene/orbitalene som kvantemodellen har innført.

Elektronpar og elektronspinn er også en del av de vanlige atommodellen, men i motsetning til i moderne fysikk så er det her snakk om fysiske forhold som faller direkte ut av modellen og ikke noe som man har måtte føye til i ettertid å få "kartet til å stemme med terrenget". I praksis er det da elektronenes magnetiske egenskaper som får dem til å søke sammen to og to som er årsaken til f.eks. oktettregelen i kjemien.

En hovedoppgave for en atommodell er at den skal kunne forklare ulike observasjoner. Et mulig spørsmål er f.eks. hvorfor nitrogen danner en gass mens karbon ikke gjør det. Grunnen til at det er sjeldent man hører dette spørsmålet er sannsynligvis at tradisjonelle atommodeller har problemer med å forklare slike ting. Det at em-modellen kan svare på slike spørsmål er vel i seg selv et argument for at man bør slutte å ekskludere den fra godkjent vitenskapelig litteratur.

Mens man i moderne fysikk knytter temperatur opp mot bevegelser av hele atom/molekyl, så sier em-modellen at det er ladningsbevegelser som er det sentrale elementet i temperaturen. Fordelen med dette er da at man har en direkte måte å forklare både det elektromagnetiske spekteret som er knyttet sammen med ulike temperaturer samtidig som man har et prinsipp som fungerer like bra i gass, væsker og faste stoff.

Merk at det var de smale spektrallinjene fra hydrogen som man hadde problemer med å forklare med bakrunn i klassisk elektromagnetisme omkring 1900 som gjorde at man valgte å forklare disse ved hjelp av kvanteteorien. Merk at denne teorien ikke gir en virkelig fysisk forklaring av hva som skjer når i hydrogen når de aktuelle spektrallinjene oppstår. Det å si at det er en følge av eller en årsak til elektronhopp fra en bane/orbital til en annen, er egentlig en slags ad hock forklaring som skaper mange flere spørsmål enn den løser. Her vil vi ikke gå i detalj, men bare understreke at em-modellen har en fysisk forklaring på alle spektrallinjene knyttet til hydrogen, og også den såkalte Zeeman-effekten som innebærer at den sterke røde linjen i hydrogenspekteret deler seg opp i tre når man tilfører et sterkt magnetfelt. Dette er ikke plassen til å gå i detalj om dette, men her vil vi bare konkludere med at så lenge det fnnes noen som påstår at det finnes enkle måter å forklare atomære effekter, så burde en vitenskap basert på offentlige midler være interessert i å sjekke om det er sant. Både lærere, studenter og elever er sannsynligvis enige om at de såkalte aksepterte atomforklaringene ikke er enkle, og dette i seg selv burde vel være en motivasjon for å vurdere alternativer.

Noen didaktiske problemstillinger

Hvorfor er atomfysikk vanskelig?

Litt didaktisk refleksjon: Etter endel år med undervisning på ulike nivå fra grunnskole til høgskole, vil jeg si at jeg har lært litt om hvordan undervisningen ikke bør være. Det betyr ikke at jeg har funnet fram til den beste undervisningsmetoden, men jeg tror at det har skjedd en viss framgang de årene jeg har undervist. Videre har jeg opplevd at det er forskjell på hvor lett det oppleves å undervise i ulike emner eller fag. Nå kan denne erfaringen har sammenheng med det faglige ambisjonsnivået. Hvis undervisningen er enkel og elementær, er det mindre sjanse for å møte misfornøyde/frustrerte studenter/elever, men det er da også mindre sjanse for å møte studenter/elever som er begeistret fordi de har lært noe nyttig. Det er klart at lærerens undervisningsopplegg er viktig for læringsutbyttet. Men er det andre faktorer som påvirker læringsutbyttet? Hva med faginnholdet?

Fysikk er et fag som har frustrert mange elever som så unngår fysikkfaget senere i livet. Det er vel ikke noe som tyder på at fysikklærere er dårligere lærere enn andre lærere og det er derfor mindre sannsynlig at det er fysikklærerne som er skyld i fysikkens svake stilling. Men hva er så årsaken til at mange unngår fysikk? Er det f.eks. slik at skaperen har bygd inn "en mental sperre" i menneskene som gjør at de alltid vil få vanskeligheter i møte med fysikkfaget? Fagene som undervises i skoleverket er i praksis skapt av mennesker og det er derfor en viss mulighet for at det er mennesker som har gjort fysikkfaget til noe som skaper "indre frustrasjon". Kan det med andre ord tenkes at atomfysikken ikke behøver å være så vanskelig som mange mener. Er det med andre ord mulig å gjør det enklere å være fysikkelev eller fysikkstudent. I det følgende vil vi kalle kvantefysikken og relativitetsteorien for moderne fysikk slik som det er vanlig i lærebøker. Moderne fysikk er da en forklaringsmodell som har til hensikt å hjelpe oss med å forstå naturen. I denne sammenhengen er det da aktuelt å spørre om det er moderne fysikk som er årsaken til mange av problemene som vi i dag opplever når vi skal videreformidle atomfysikken og tilstøtende fysikkemner.

Et eksempel fra virkeligheten
Studieåret 1997/98 var pensum i fysikk ved lærerutdanninga ved HVO hentet fra diverse lærebøker fra videregående skole. Vi bruker da boka ERGO Fysikk 2FY (Asch. 1997) som var godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter til bruk i videregående skole. Denne hadde et generelt innledende kapittel, og her vil jeg først sitere noe som jeg er enig i og som jeg derfor også understreket for studentene den aktuelle høsten:

Fysikarne trur at det bak naturfenomena gøymer seg noko grunnleggjande enkelt. (s17)

Utfra en pedagogisk synsvinkel kan det være nyttig å si til studentene i starten av et fysikkurs at fysikk egentlig er enkelt. Det er med andre ord grunn til å være optimistisk ved starten av studiet. Det er videre viktig at man ikke søke etter noe komplisert eller vanskelig når man skal lære fysikk. Mange som har lært fysikk vil si at det å lære fysikk er å oppdage noe enkelt. Derfor snakker man blant annet om forståelse i stedet for pugging. I den forbindelse ble det da lest fra et avsnitt som hadde følgende overskrift: Kva vil det seie å forstå? Hensikten var å gi en forståelse for hva det vil si å forstå. Videre var det et ønske å bruke en tilsynelatende selvmotsigelse i læreboka som utgangspunkt for å få studentene til å reflektere litt selvstendig i forhold til teksten i ei lærebok. Hensikten var altså å oppfordre studentene til å tenke selv og ikke betrakte alt i godkjente bøker som eviggyldige sannheter. Her følger det som ble lest fra læreboka:

....Påverknad over avstand var og er eit mysterium. Enno veit vi ikkje kva tyngdekrafta er, men kor mange undrar seg over det? Ingen tryllekunstnar ville bli rik av å reise rundt med eit magisk show som berre viste at eple fell mot bakken. Når vi trur at vi forstår kvifor noko fell, er det nok fordi vi har sett det så ofte at vi veit kva som vil skje. I mange tilfelle er det å forstå eit fenomen heilt enkelt det same som å vere van med det. Slik er det for nær sagt alle dei fenomena du skal møte i fysikkverda. Merk deg det, og du vil bli spart for mange stunder der du synest at du stangar hovudet mot veggen. Visse ting forstår vi rett og slett ikkje, til dømes korleis gravitasjonskraften verkar. Men sjølv om vi ikkje fullt og heilt kan forstå eit fenomen, så kan vi ofte skildre det. Vi forstår ikkje kvifor noko skjer, men vi kan greie ut om korleis det skjer. (s.9)

Poenget her er at man tilsynelatende synes å utelukket at det finnes "noko grunnleggjande enkelt" bak tyngdekraften når man sier at påvirkning over avstand er et mysterium som man ikke må forsøke å forklare. Jeg nevnte da noe om at jeg selv ikke oppfattet dette som en "forståelig" fysikkforklaring, og jeg sa også at mine tidligere undervisningskompendier var stoppet fordi jeg i disse hadde presentert en forklaringsmodell som jeg mente kunne forklare kunne forklare f.eks. tyngdekraften på en mer forståelig måte en det som var gjort her. Jeg sa videre at hvis klassen ikke ønsket at jeg skulle nevne noe mer om hvorfor jeg mente at moderne fysikk gjorde fysikken til et unødvendig mysterium, så ville jeg ikke gjøre det. Men om de ønsket å høre at det fantes alternative vitenskapelige forklaringer på endel av det som var definert som pensum, så ønsket jeg å få høre det direkte fra studentene. Hvis jeg da ser bort fra en student, så oppfattet jeg stemningen i klassen dit hen at de var positive til å få høre om alternativer der læreboka underslo at det fantes ulike vitenskapelige forklaringsmodeller.

Nå hadde jeg vel ikke husket denne episoden fram til nå om det ikke var for at en av studentene tok ordet et par ganger i forbindelse med sitatet ovenfor og kom med relativt sterke anklager mot meg som fagperson. Han sa da at han ikke ønsket å høre mer om den pseudovitenskapen som jeg forkynte. Den aktuelle studenten var da en av de få studentene på lærerskolen som hadde 2FY og 3FY fra videregående skole som bakgrunn. Dette siste utspillet hans førte til en liten faglig diskusjon om hva som lå i begrepet felt (gravitasjonsfelt) og det overrasket meg hvordan han begrunnet hvorfor man ikke kunne bruke felt som en vitenskapelig forklaring av gravitasjonskraften. Nå forlot han forelesningen i det etterfølgende friminutt og jeg har vel forståelse for at han ikke har møtt på alle forelesningene siden han har hatt pensumet i 2FY-boka tidligere. Den aktuelle diskusjonen fikk meg imidlertid til å studere det ovennevnte sitatet nærmere, og jeg klarer vel ikke å fri meg fra tanken om at mange fysikere (inkludert studenter med 3FY som bakgrunn) kanskje har en "gud" som de kaller et "mysterium". Noen teologer i kirken vår har da treenigheten, som da også kalles et "mysterium", som sin Gud. Om de så opplever at noen prøver å forstå Guden deres (diskutere om en personlig Gud kan være en og tre samtidig), så kan vel det oppfattes som noe truende som man må reagere på.

Nå er ikke gravitasjonskraften tema i dette heftet om atomfysikk, men for dem som lurer på hvorfor lærebøker forteller at man ikke vet hva gravitasjonskraften er, så har det sammenheng med at det ifølge moderne fysikk ikke finnes noe mellom partiklene i universet. Det vi kaller tomt rom eller vakuum er altså helt tomt når vi ser bort fra fotoner og liknende partikler som kan bevege seg gjennom det tomme rommet. Dette synet står da i motsetning til et syn som går ut på at det er nødvendig å tenke seg at universet er fylt med et medium som kalles eter. Lys og andre elektromagnetiske bølger er da i praksis bølger i denne eteren. Selv om det kan være problematisk å forstå gravitasjonskraften tenker man seg også at denne kraften hadde noe med eteren å gjøre.

På den andre siden har man så moderne fysikk som vel kan sies å være en teori som er basert på antakelsen om at det ikke finnes noe eter. Alle kan observere at krefter virker gjennom vakuum (månen tiltrekkes f.eks. av jorda) og i den sammenhengen har man innført noen mystiske partikler som kalles gravitoner. Figuren med de to båtene er da hentet fra en lærebok og man sier da at bakgrunnen for at jorda og månen trekker på hverandre er at de utveksler partikler. I denne sammenhengen kan man diskutere om en slik partikkelutveksling er en forståelig forklaring på hva som er årsaken til gravitasjonen.

Aktuelle spørsmål: Hva slags krav bør man stille til en forståelig forklaring? Må den f.eks. bare inneholde element som vi kan se? Hva med abstrakte eller konkrete element?

En bedre forståelse av naturen ved å bruke to forklaringsmodeller?

Som nevnt ovenfor er moderne fysikk en forklaringsmodell som skal hjelpe oss med å forstå den naturen som omgir oss. Den kan derfor sammenliknes med et instrument som hjelper oss å se ulike sider med naturen som vi ikke ellers kan se. I vanlige målesituasjoner er det viktig at vi forstår virkemåten til instrumentet slik at vi tolker det vi ser på rett måte. Tilsvarende er det viktig at vi vet litt om kvantefysikken og relativitetsteorien når vi skal bruke disse for å forstå naturen. Hvis vi ikke klart skiller mellom hva som er forklaringsmodell og hva som er natur, så er sannsynligheten stor for en uheldig sammenblanding. Når noen f.eks. påstår at vi ikke kan forstå gravitasjonskraften, så har det sannsynligvis sammenheng med at de tror at moderne fysikk representerer eneste mulige forklaringsmodell. Dette er da sannsynligvis igjen en følge av at tilhengerne av moderne fysikk har en slags monopolstilling hvor de bruker alle tilgjengelige midler for å holde alternative forklaringsmodeller borte fra lærebøkene. Resultatet blir da en slags indoktrinering i en forklaringsmodell. Når vi her legger opp til en fagstofftilnærming hvor vi presenterer og bruker to ulike forklaringsmodeller, så er det blant annet for å hjelpe leseren med å skille natur og modell. Det er ellers en vanlig pedagogisk ide at man lærer mer om en modell om man også lærer litt om alternative modeller. En "finpyntet" innføring i kun en modellen vil i mindre grad engasjere den kognitive siden av hjernen og resultatet blir ofte at man pugger noen ord i stedet for at man får en forståelse for innholdet.

Noen generell kjennetegn på moderne fysikk

Nå er det vel i utgangspunktet vanskelig for en som ikke tror at moderne fysikk er nyttig, å gi en objektiv karakteristikk av moderne fysikk, men det er da også mulig å bli så sterkt involvert i en forklaringsmodell at man heller ikke klarer å være objektiv av den grunn. Her vil vi imidlertid trekke fram noen karakteristiske trekk ved moderne fysikk som klarest skiller den fra den alternative modellen som vi vil bruke her. Generelt kan vi da si at moderne fysikk er basert på matematikk og følgelig er det vanskelig å beskrive den med ord. Siden mennesker vanligvis har lettere for å forstå figurbeskrivelser med vanlige ord enn matematiske beskrivelser med matematiske symbol, så er det vel generell enighet om at moderne fysikk har visse problemer i lærebøker på lavere trinn. Dette er da i seg selv en grunn til å lete etter andre forklaringsmodeller når vi skal forklarer hva som f.eks. skjer i naturen omkring oss i norsk skoleverk.

Et annet hovedkjennetegn på moderne fysikk er at den inneholder endel påstander om at "noe er og ikke er samtidig". Moderne fysikk inneholder med andre ord endel paradokser eller selvmotsigelser. Her følger en liste med noen eksempler som vi vil komme tilbake til seinere. Parentesene viser om det er kvanteteorien eller relativitetsteorien som forårsaker paradoksene.

-Lys er bølge og partikkel (kva.)
-Elektron er punktpartikkel og elektronsky/bølge (kva.)
-Hendelser har fysisk årsak, men ikke på atomnivå (kva.)
-Rom og tid er grunnbegrep, men kan variere (rel.)
-For ulike observatører er samme virkelighet forskjellig (rel.)

Den som bruker vanlig fornuft i studiet av naturen vil derfor relativt raskt bli frustrert når lærebøker og diverse autoriteter sier at naturen ikke er fornuftig. Det sies da videre at vi bare må godta naturen som den er og akseptere at fornuften ikke er noen god veiviser for den som vil forstå atomene og andre naturfenomen. I denne situasjonen er det da noen som velger å studere noe annet, mens noen begynner å pugge det ekspertene har sagt. Rent logisk sett kan disse paradoksene forklares enten som et resultat av grunnleggende aksiomer i moderne fysikk, eller som et resultat av at naturen selv. Paradoksene dukker da opp når vi prøver å forklare naturen ved hjelp av moderne fysikk, men paradoksene er ikke nødvendigvis en del av selve naturen. Det mest alvorlige problemet med moderne fysikk er kanskje at tilhengerne har problemer med å skille mellom natur og modell. Det er derfor vanskelig å oppnå en konstruktiv debatt omkring naturvitenskapelige spørsmål når mennesker tror at de representerer den eneste mulige måten å forklare naturen.

Er paradokser årsaken til fysikkens svake stilling i skoleverket?

Trygghet er et grunnleggende behov hos alle mennesker. Dette gjelder da på det tankemessige planet i tillegg til det følelsesmessige planet. Menneskene har med andre ord behov for enkle troverdige forklaringer av den verden som omgir oss. Det innebærer at vi blir utrygge når noen forteller oss noe som vi ikke forstår. Spesielt gjelder dette om vi hører noe som vi oppfatter som ulogisk eller som står i motsetning til det vi har lært tidligere. I grunnskolen er det relativt enkle fysikkemner som undervises, og siden moderne fysikk har liten innflytelse her, er det vanskelig å finne en direkte sammenheng mellom paradoksene som er nevnt ovenfor mangelen på forståelse hos elevene. Men kan det tenkes en indirekte sammenheng? Kan det f.eks. tenkes at lærerne i sin egen utdanning har blitt så frustrert over fysikken at de ubevisst overfører denne frustrasjonen videre til elevene ved enten å unngå fysikkemner eller ved å bli dogmatiske. Nå er det videre slik at en forståelse for fenomener vi observerer omkring oss til daglig forutsetter en viss forståelse for naturens byggesteiner, atomene, og hvis man i skoleverket unngår spørsmål knyttet til dette, vil elevene oppleve "hull" i kunnskapen. Om elevene ikke har hørt om grunnleggende fysiske prinsipp i grunnskolen, så er det naturlig at de ble frustrert når de opplever problemer i møte med den teknologien som omgir oss.

De som mangler innsikt i et fagområde vil ofte skjule dette ved å opptre dogmatisk når fagområdet behandles. Et eksempel som illustrerer det er klokkeren som fant prestens gjenglemte preken på talerstolen etter en gudstjeneste. På denne fant han så følgende notat i margen. "(Hev stemmen her for argumentasjonen er svak)". Om elevene får et inntrykk av at fysikkfaget er et emne som ikke kan diskuteres, bare aksepteres, så er vel også dette uheldig. Hvis vi ikke forstår hvorfor vi har feil, så vil vi vel naturlig unngå nye møter med et stivbeint fag som ikke begrunner sine standpunkter. En tredje mulighet er at lærere i de lavere trinnene overfører til elevene såkalte hverdagsforestillinger som ikke stemmer med det elevene får høre seinere. Dette kan også skape frustrasjoner når de senere må kvitte seg med disse feilforestillingene.

Hva slags kunnskaper trenger egentlig samfunnet?

Erfaringer har vist at færre og færre elever velger fordypning i fysikk og spørsmålet er da om dette er ønskelig for samfunnet? Noen mener at dette representerer en ond sirkel. Når hverken elever eller neste generasjons lærere har lært fysikk, så vil faget forsvinne fra samfunnet. Vårt moderne samfunn er på den andre siden ganske avhengig av moderne teknologi, og om folk flest ikke forstår den fysikken som ligger til grunn for teknologien, kan det være fare på ferde. Dette er et viktig problem som bør vies oppmerksomhet i samfunnsdebatter. Men det er ikke nødvendigvis slik at forholdene blir bedre om vi øker antall fysikktimer i skoleverket. Moderne teknologi er nemlig ikke basert på moderne fysikk, men klassisk fysikk. Det som har skjedd i lærebøkene de senere årene er imidlertid at andelen moderne fysikk har økt på bekostning av tradisjonell fysikk, kanskje fordi folk flest tror at det er en sammenheng mellom moderne teknologi og moderne fysikk. Problemet er videre at det er i moderne fysikk at vi finner de uforståelige paradoksene. Det er med andre ord en mulighet for at de nevnte problemene for fysikkfaget i skoleverket har sin årsak i at den uforståelige moderne fysikken har smittet eller infiltrert fysikken på en slik måte at den er blitt ufordøyelig for folk flest. Dette kan innebærer en vektlegging av teori framfor praktiske forsøk samtidig som man ikke kan gi logiske og forståelige forklaringer på de fenomene som vi omgir oss med til daglig.

Hva vil det si å lære fysikk?

Et problem for fysikkundervisningen er at det ikke er generell enighet om hvordan vi bør definere fysikkunnskap. Her vil vi understreke forståelse som et sentralt kjennetegn på fysikkunnskap. På den andre siden vil sannsynligvis de som tror på moderne fysikk mene at forståelsen er underordnet fordi de mener at mye i naturen er uforståelig for fornuften. Se sitatet fra 2FY-boka ovenfor. Til vanlig vil mennesker som møter et paradoks i slutten av en tankerekke, konkludere med at tankerekken var feil. De som tror på kvantefysikken vil derimot forvente endel paradokser når de studerer naturen. Generelt er det lov å sette spørsmålstegn med paradokser, og mange vitenskapsmenn gjør også det. Men problemet er at mange i dag påstår at det ikke finnes alternative forklaringer av naturen hvor man unngår slike paradokser, og derfor vil de fleste vitenskapsmenn tro at moderne fysikk gir det eneste rette bildet av naturen selv om "moderne" fysikk egentlig er ca 100 år gammel.

Hva motiverer oss til å studere fysikk?
I tradisjonelle lærebøker har moderne fysikk en sentral stilling når det er snakk om atomfysikk og noen mener at denne fungerer som en "indre sperre" som hemmer videre fysikkforståelse. En gang ble lyn og torden forklart som resultat av guden Tor sin ferd over himmelen. Denne forklaringen skapte vel ikke spesielle praktiske problemer for dem som trodde på den. Men det er et spørsmål om den inspirerte menneskene til å finne ut mer om naturen. Et generelt fellestrekk for slike gamle virkelighetsoppfatninger er at hvert fenomen hadde sin forklaring. Kvantefysikken og relativitetsteorien også er preget av "ulik forklaring i ulike situasjoner". Vi kan f.eks. høre at Newtons lover og Newtons logikk gjelder til vanlig men ikke i tilfeller med høy hastighet og sterke gravitasjonsfelt. Videre kan vi høre at årsak-virkning-loven og andre logiske prinsipp ikke gjelder når vi skal forklare atomets virkemåte. Å til stadighet møte beskjeden om at det du har lært ikke kan anvendes på nye måter, er vanligvis demotiverende og det ideelle ville vel vært at det var mulig å finne fram til noe som kunne brukes i mange situasjoner. Et kjennetegnet på en mer motiverende fysikk kan da være at færre prinsipp kan forklare flere fenomen på en enklere måte.

Atomets plass i fysikken

Innenfor fysikken finnes det i dag mange emner som handler om atomet. I tillegg er atomforståelsen grunnleggende for både kjemi og biologi. Når vi ved HVO har kalt en fysikkmodul for 'Atomfysikk', er tanken at vi vil hente stoff fra alle relevante fagområder som har bidratt til å forstå naturens byggesteiner: atomene. Tanken er å gi en integrert fremstilling av atomet hvor alle relevante fagområder bidrar med sitt. De mest aktuelle fagområdene eller emnene i denne sammenheng er:

Atomfysikk: Dette er ofte et emne i lærebøker som tar for seg utviklingen av vår moderne forståelse av atomet. I dagligtale er ordet vanligvis knyttet til atomkraftverk, radioaktiv stråling ol. Siden ordet er forholdsvis generelt er det mindre brukt i forbindelse med moderne forskning.

Kjernefysikk: Dette er også et emne i mange lærebøker. I moderne forskning brukes kjernefysikk som en generell betegnelser på ulike praktisk rettede forsøk i tilknytning til energiforsyning, radioaktiv stråling ol.

Elementærpartikkelfysikk: Dette er et emne hvor forståelse av naturens minste byggesteiner er det sentrale. Forskere innenfor dette emnet har "innført" endel nye partikler de seinere årene. Kvarkene er eksempler på nyere partikler som noen mener kan forklarer atomenes virkemåte.

Teoretisk fysikk: Som navnet antyder er vi innenfor dette emnet mest opptatt av å finne fram til grunnleggende lover og prinsipp som gjelder i fysikken. Dette emnet er preget av mye matematikk. Kvanteteorien og relativitetsteorien er viktige element her.

Kosmologi: En tro på at en dypere innsikt i universet byggesteiner vil gi oss svar på mange grunnleggende spørsmål om universet, er kjernen i kosmologien. Innenfor kosmologien er både fjerne himmellegemer og nære elementærpartikler viktige for forståelsen av hvordan universet som helhet fungerer. "Big-bang" og "universets første minutter" er aktuelle begrep.

Atomfysikk

23.10.03 Erling Skaar

Dualitet - et nødvendig onde?