Fysikklærerforeningen (undergruppe av Norsk fysisk selskap) har et tidsskrift "Fysikklæreren" og medlemmer ble i 1997 oppfordret til å sende inn eksempler på undervisningsproblem som man kunne diskutere i tidskriftet Jeg sendte da inn følgende innlegg som ikke kom på trykk. Årsaken kan være en professor fra NTNU som i et nummer advarte mot "alternativ fysikk" (omtalt i  Hvem bestemmer om det er selvmotsigelser i fysikkundervisningen? ) eller noen andre grunner jeg ikke kjenner. Jeg mener imidlertid at det er uheldig om fysikklærerforeningen har en politikk som går ut på at enkelte faglige spørsmål skal "feies under teppet" , og her følger da innlegget mitt sammen med noen kommentarer til de tre punktene i et tillegg.

Er moderne fysikk forståelig?

Siden vi blir oppfordret til å sende både ideer og problem, så følger det her noen eksempler på problemstillinger som jeg ikke finner noen gode løsninger på innenfor moderne fysikk som da er basert på kvantemodellen. Nå kan det være at det er meg det er noe galt med siden jeg i fjor vinter ble fratatt retten til å presentere mine pedagogiske og vitenskapelige vurderinger i fysikkundervisningen ved lærerskolen i Volda. Men det kan vel også være at faglig ledelse og de fysikkfaglige konsulentene de brukte ikke har nok erfaring som fysikklærere til å forstå de problemene som fysikklæreren møter. Motivet mitt for å sette spørsmålstegn med visse deler av moderne fysikk er da at jeg mener at min oppgave er å hjelpe studenter til å forstå fysikk i motsetning til å pugge fysikk. Her følger da 3 eksempler på problem som kanskje ikke ville vært noe problem om ikke kvantemodellen var blitt opphøyet til å være en uangripelig sannhet? Men før jeg klargjør min versjon for publisering, så kunne jeg tenke meg å få tilbakemelding fra andre som også arbeider med fysikkundervisning.

1 I tabeller kan vi finne at bølgelengden til rødt lys er 650nm. Om slikt lys går inn glass med brytningsindeks 1,5 = 3/2 vil bølgelengden bli redusert med 2/3 til 433nm som ifølge tabellen er bølgelengden for blått lys. Spørsmålet er da: Er rødt lys blått inni glass?

2 Lys fra stjerner kan være litt rødforskjøvet (lavere frekvens) eller blåforskjøvet (høyere frekvens) som følge av at stjernen beveger seg fra oss eller mot oss. Spørsmålet er da: Har et foton som forlot den aktuelle stjerna fått endret energien (E=hf) underveis?

3 Sirkulær elektronbevegelse i en spole skaper et magnetfelt. En permanent magnet gir også et magnetfelt som av energimessige årsaker ikke kan skyldes at elektroner beveger seg i sirkel. En mulig årsak til magnetismen fra permanente magneter kan imidlertid være at elektron (eller proton) spinner (dreier om egen akse). Spørsmålet er da: Hva slags fysikkargument finnes for at det ikke er lov å presentere elektronspinn som en fysisk mekanisme bak permanente magneter?

Erling Skaar

TILLEGG

1 Spørsmålet om rødt eller blått lys i glass ble fremsatt for å belyse problemene som oppstår når man bruker bølgelengde i steden for frekvens som hovedparameter  når man beskriver lys (og andre elektromagnetiske bølger) grafiske eller i ulike oversikter. Innenfor moderne teknologi (elektronikk ol) er frekvensen hovedparameteren i all litteratur. Men i lærebøker hvor det er snakk om lysspekter ol. (moderne fysikk) er det stort sett alltid bølgelengden som oppgies langs den aktuelle aksen. Se f.eks. 2FY-bøker under temaet Atomfysikk. Sammenhengen mellom frekvens og bølgelengde er gitt av formelen v=fl og i prinsippet er det vel likegyldig om man bruker frekvens eller bølgelengde langs den aktuelle aksen. Problemet er imidlertid hva som gir best forståelse og her vil jeg påstå at farger er knyttet opp mot frekvens og ikke bølgelengde. Svaret på spørsmålet ovenfor er altså at det hele tiden er snakk om rødt lys, fordi det er snakk om samme frekvens både innenfor og utenfor glasset. Sannsynligvis vil elever i videregående skole kunne svare rett på det relativt enkle spørsmålet som er skissert her, men problemene blir større om man f.eks. skal anvende teorien i prakiske oppgaver og f.eks. regne litt på dimensjoner ol i en laser. Jeg husker at en slik oppgave skapte store problemer for studentene på et kurs ved NTNU. Etter mitt syn kunne de mange problemene vært unngått om man i lærebøker gikk over fra å bruke bølgelengde (nm) til å bruke frekvens (THz) som hovedparameter. Hvorfor bruker så lærebøkene bølgelengde i slike fremstillinger? Så langt jeg har forstått så er det ingenting i moderne fysikk som tilsier at man skal bruke bølgelengde i slike tilfeller, men jeg tror da at moderne fysikk har passivisert de som underviser fysikk i så stor grad at de bare underviser slik man har undervist før, uten å tenke igjennom om fysikkundervisningen kan forbedres på noen punkt. Man har med andre ord sluttet og tenke selv og i stedet videreformidler man bare det man har hørt fra "ekspertene".

2 Det andre spørsmålet er knyttet til kjernen i kvantemodellen og jeg trekker da fram en problemstilling som har dukket opp i astronomiundervisningen min som jeg har hatt problemer med å besvare med bakgrunn i akseptert fysikk. Den observerte effekten kan lett forklares utfra en bølgemodell for lyset og det er da også mulig å vise til observerbare lydeffekter som bygger på samme prinsippet (ulik tonehøyde fra motgående og fragående trafikk). Dette er da ikke problemet. Problemet dukker imidlertid opp når studenter som ønsker å være lojale mot fysikklitteraturen bringer inn fotoner i denne sammenhengen og spør om disse da har mistet energi. Hvor har den i tilfelle blitt av? Hva betyr det at lys er kvantisert? Selv sier jeg da at alle er enige om at lys er bølger, men disse og andre problemer har gjort at mange forkaster ideen om at lys er kvantifisert. Disse har da studert alle de såkalte bevisene for at lys er kvantifisert og konkludert med at disse også kan forklares om man antar at lys bare er bølger. I denne sammenhengen er vel ikke oppgaven til en fysikklærer å få studenter til å skifte mening i fysikkfaglige spørsmål, men å hjelpe studentene med å få orden på egne tanker og ikke gir opp. Nå vet jeg ikke om min foreslåtte løsning på dette og tilsvarende problem er den beste, og jeg er derfor interessert i å høre om andre har bedre løsninger.
Her vil jeg ellers kort nevne at L97 sitt påbud om å bruke en partikkelmodell i grunnskolen og den utbredte bruken av slike modeller i videregående skole skaper visse problemer med forståelsen av fenomen som lys og varme hos studentene som jeg møter i lærerutdanningen. Alle er enige om at elektron, atom og molekyl er partikler, og det forstår elevene relativt lett. Men når også lys og varme blir betraktet som partikler/partikkelbevegelser i lærebøker blir det en slags forvirring i forestillingene som gir mange "rare" studentbesvarelser hos oss i lærerskolen. Her vil jeg ikke gå nærmere inn på dette men bare minne om at moderne teknologi vanligvis betrakter lys og varme som bølger(energi) som overføres mellom gjenstander/partikler og deres suksess burde vel få de som har ansvaret for undervisningen i norsk skolesystem til å vurdere om det kanskje er på tide å gjøre visse endringer.

3 Med bakgrunn i egen erfaring og samtaler med andre vil jeg si at magnetisme er et ganske forvirrende tema for dem som studerer det. Det har sammenheng med at det på den ene siden er så lett å observere magnetismen samtidig som det tilsynelatende er svært vanskelig å forklare magnetismen. Da jeg skrev innlegget i 1997, så hadde jeg ikke sett eksempler i vanlige norske lærebøker på at elektronspinn var brukt som forklaring på magnetisme, men jeg hadde ikke gjort noen grundig undersøkelse og påstanden i innlegget ovenfor om at det ikke er lov å bruke elektronspinn som en fysisk mekanisme bak permanente magneter kan absolutt diskuteres. I hovedsak så baserte jeg den på følgende sitat fra Serway: Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics third edition 1992 p 854: In this regard, one can view the elektron as a sphere of charge spinning about its axis as it orbits the nucleus, as in Figure 30.28. (This classical spinning electron should not be taken literally. The property of spin can be understood only through a quantum mechanical model.) Min oppfatning den gangen var da at man respekterte slike ekspertuttalelser og unnlot å gi fysiske forklaringer av slik magnetisme.
 I ettertid har jeg imidlertid funnet følgende i ERGO 3FY 1998 s148: I dag vet vi at alle atomer er bygd opp av kjerner med elektroner rundt. Et elektron som går i bane rundt en atomkjerne, virker som en liten strømsløyfe med magnetfelt rundt. Se figur 6-26. I tillegg spinner elektroner (og nukleoner) om sine akser. Derfor virker de som små magneter. Se figur 6-27. Begge fenomenene får atomet til å virke som en liten magnet.
Generelt oppfatter jeg dette som om man i senere tid er blitt mer fri i forhold til ekspertuttalelser når man lager lærebøker. Men for elevene blir vel problemene desto større når man her f.eks. sier at elektronene går i bane rundt en atomkjerne, noe som jeg trodde man hadde avvist en gang for alle da man oppdaget at en slik akselerert ladningsbevegelse forårsaker energitap i form av elektromagnetisk stråling. Så langt jeg har forstått er altså figur 6-26 i strid med både kvantefysikken og klassisk elektromagnetisme, og jeg mener da at slike figurer og påstander er uheldige av både faglige og pedagogiske grunner. Når det derimot gjelder den andre mulige årsaken til magnetiske krefter, nemlig elektronspinn (og protonspinn), så er dette en mulig varig tilstand ifølge klassisk elektromagnetisme, og jeg skjønner da ikke hvorfor man synes å unngå denne som forklaring av magnetisme i ulike sammenhenger. Er det fordi noen har sagt at det ikke er mulig å forklare magnetisme på en fysisk forståelig måte (bare utfra kvantemekanikken). Selv har jeg da møtt relativt sterk motstand fra fysikerhold når jeg har brukt denne spinnmodellen til å forklare ulike fysiske fenomen, men jeg har aldri fått noen fornuftige begrunnelser for at den ikke kan brukes. Hvis den kan forklare ting på en fysisk forståelig måte burde vel "Fysikklæreren" være et mulig forum hvor man kunne diskutere slike ting og ikke bare avvise slike problemstillinger med å sensurere bort alt som tilsynelatende fremstår som et alternativ til moderne fysikk.

Erling Skaar