Vědecká metoda

Žijeme v době, kdy je náš život zcela závislý na technice. Stačilo by na několik dnů vyřadit z provozu elektrickou síť a naše civilizace by se zhroutila. Nikdo neví, jaká bude budoucnost. Jak budeme vyrábět energii? Budeme jezdit v elektromobilech? Jak uživí naše planeta přibývající množství lidí? Převezmou manuální práci roboti? Ať už bude budoucnost jakákoliv, zdá se, že význam vědy a techniky bude ještě větší než dnes. Základní znalosti fyziky jsou nezbytné v elektronice, strojírenství, stavebnictví, chemii, medicíně, informatice. I v případě, že z vás nebudou inženýři, nebylo by dobré aspoň tušit, na jakých principech věci kolem nás fungují?

Cílem samotného fyzikálního výzkumu ale nejsou praktické aplikace. Fyzika se snaží popsat a vysvětlit základní vlastnosti přírody, objevovat a zkoumat dosud neznámé jevy. Přesto spolu fyzika a technika neoddělitelně souvisí. Když v roce 1800 Alessandro Volta objevil první elektrický článek, nikdo neměl tušení, že by jeho objev mohl být k něčemu dobrý. Přesto máme nyní baterii v každém mobilu. Ani současné lithiové akumulátory ale nevyhovují svými parametry pro používání například v elektromobilech. Potřebovali bychom větší hustotu energie, nižší cenu, větší životnost… Možná, že revoluční objev na poli ukládání energie čeká právě na vás!

Čím se zabývá fyzika?

Ve čtvrtém a pátém století před naším letopočtem se řečtí filosofové začali zabývat otázkami, z čeho je složen svět a jakými zákony se řídí. Tuto dobu můžeme považovat za vznik fyziky jako základní přírodní vědy. Její název je odvozen od řeckého pojmu „fysis”, což znamená přirozenost/příroda, takže fyziku můžeme chápat jako vědu o přírodě. Teprve později vznikla potřeba nových oborů – chemie, biologie, geologie a dalších. Řečtí filosofové věřili, že pozorování přírody pomocí lidských smyslů a následné logické úvahy a diskuze je dovedou ke správným odpovědím. Lidé opustili mýty a legendy a snažili se pro přírodní jevy nacházet rozumová vysvětlení. Bylo ale běžné, že vedle sebe existovalo několik protichůdných vysvětlení přírodních jevů. To trvalo až do 16. století, kdy došlo k zásadní změně – teorie jsme začali ověřovat pomocí experimentů.

Víra v to, že přírodní zákony je možné lidským úsilím odhalit, zůstala. Lidé ale dospěli k tomu, že přírodu je třeba zkoumat systematicky. V roli „soudce“, který rozhoduje o správnosti našich teorií, je od té doby experiment nebo pozorování. Tento fakt se stal základem vědecké metody, k níž se ještě vrátíme později. Od té doby platí, že příroda je popisována pomocí přesně definovaných veličin a měření se stalo podstatnou součástí fyziky. Znamená to, že dnešní fyzikální teorie jsou zaručeně správné? To bohužel nemůžeme říci. Albert Einstein to vyjádřil slovy: „Sebevětší počet experimentů nemůže dokázat, že mám určitě pravdu, ale jediný experiment může dokázat, že se mýlím“. To, kam jsme dnes došli v poznání základních zákonů přírody, je přesto obdivuhodný výkon. Stále jsou tu však otázky, na které neumíme odpovědět. A ukazují se nové jevy, o kterých jsme předtím neměli ani tušení.

K čemu slouží fyzikální modely?

Existence jednoduchých fyzikálních zákonů ještě nezaručuje, že bude jednoduché také chování různých těles a jejich soustav. Uvažte třeba lidské tělo. Víme, že se skládá přibližně z 10²⁷ atomů, které na sebe působí elektrickými silami. Díky obrovskému počtu atomů a jejich složitým vazbám nedokážete na základě fyzikálních zákonů nikdy popsat chování svých orgánů nebo dokonce předpovědět, co budete dělat zítra.

Ostatně pokud by to někdo dokázal, přestala by existovat vaše svobodná vůle. Realita je většinou příliš složitá na to, abychom ji mohli popsat přesně. Proto používá fyzika modely. Fyzikální model je přiměřené zjednodušení reality, které je dostatečně jednoduché, abychom ho dokázali zvládnout, a zároveň ještě vystihovalo podstatné vlastnosti daného systému.

A teď to nejdůležitější – modely nám umožňují předpovídat, co se stane v budoucnosti. Případně, jak by dopadly různé experimenty. Tohle je další obrovský přínos fyziky (a přírodních věd obecně) – modely nám říkají: pokud uděláš to a to, dopadne to tak a tak (máš-li ovšem k dispozici dobrý model). Lépe to uvidíme na několika příkladech.

1) Statika mostu

2) Sluneční soustava

Gravitační působení mezi planetami dokážeme popsat velmi přesně; známe dobře jejich polohy, planet není mnoho. Proto dokážeme velmi přesně předpovědět polohy planet i měsíců v budoucnosti. Například zatmění Slunce dokážeme předpovědět s velkou přesností na stovky let dopředu. V tomto modelu je úplně jedno, kde se právě nachází čtenář této knihy. Je zcela zanedbatelný. Stejně jako knihovna, kde si knihu otevřel.

3) Počasí

Jistě znáte mobilní aplikace, které vám ukazují předpověď počasí pro zvolenou polohu. Jak tyto předpovědi vlastně fungují? Moderní předpovědi počasí vychází z numerických modelů. Tyto modely rozdělí atmosféru na buňky o určitých rozměrech (cca 1 km) a počítají vývoj pohybu vzduchu, teploty a srážek v daném prostoru (např. Evropy). Model potřebuje nejprve přesná data o počátečním stavu atmosféry a na jejich základě výkonný počítač simuluje budoucí vývoj počasí. Pohyb vzduchu v atmosféře je ale příliš složitý a realita se od předpovědi modelu může lišit. S přibývajícím časem se odchylka zvětšuje, dobrá předpověď počasí obvykle platí pouze na tři dny dopředu. Zkuste se sami podívat na numerický model Aladin na stránkách Českého hydrometeorologického ústavu.

Jak funguje vědecká metoda?

Vraťme se ještě jednou k vědecké metodě. Její princip vystihuje následující schéma.

Vědecká metoda je způsob, jak objevovat zákonitosti, podle nichž funguje náš (hmotný) svět. Je společným postupem jak v přírodních, tak společenských vědách.

Svět je natolik rozmanitý a zajímavý, že v nás odpradávna vzbuzuje otázky typu „jak to vlastně je?“, „proč se děje toto?“, „k čemu se to dá použít?“ A tak si my, zvědaví lidé, klademe otázky a hledáme na ně odpovědi. Nejdříve jsou to odpovědi nejisté, ničím nepodložené – říká se jim hypotézy: „…tuším, že tak nějak by to mohlo být“.

Jenže hypotéza nemusí být pravdivá. A proto se vědec pustí do experimentálního ověřování – zkouší platnost hypotézy ve všech možných situacích, které dokáže realizovat, a hledá, kde ještě by mohla hypotéza „nefungovat”. Ale pokud je hypotéza ve všech pozorovaných případech v souladu s tím, jak dopadne experiment, prohlásí ji za přírodní zákon. Pokud se ovšem najde nějaký (a stačí jediný) případ, kdy hypotéza selže, musí ji zavrhnout a hledat lepší vysvětlení pro tento svět. I když vědec stokrát měří a pozoruje, pořád ještě nemá jistotu, že při stoprvním pokusu hypotézu třeba vyvrátí… Správně tušíte, že přírodní zákony se nedají „dokázat“ s definitivní platností; přesto nám vědecká metoda dává možnost, jak bezpečně poznat, které představy o světě jsou chybné.

Protože je svět pestrý, fyzikálních zákonů existuje obrovské množství. Teoretičtí fyzikové se v nich snaží udělat pořádek: najít co nejjednodušší způsob, jak zákony vyjádřit, nalezením společného a co nejjednoduššího východiska pro všechny zákony. Tím vzniká fyzikální teorie jakožto logicky uspořádaná a do souvislostí daná soustava poznatků o naší přírodě. Jakmile jednou správně pochopíme „jak?“ a „proč?“, dokážeme správně předpovídat její chování. Scientia potentia est – vědění nám dává moc.

Poznámka na okraj: Ukázka použití vědecké metody

Kdo někdy zkoušel pouštět kamínky do studny, tak si zajisté všiml, že u hluboké studny musí na žbluňknutí čekat déle než u mělké. Můžeme tento jev testovat experimentálně? Dá se pomocí kamínku určit, jak je studna hluboká? Jak souvisí doba pádu a výška, z jaké těleso padá? Budeme postupovat v souladu s vědeckou metodou:

Jako první nás asi napadne Hypotéza 1: Čím větší výška, tím větší čas (přímá úměrnost).

Zkusme měřit dobu pádu kamene z různých výšek nad zemí:

Výška (m)	Čas (s)	Čas
1	0,45	\(t_1\)
2	0,64	\(1{,}4t_1\)
3	0,78	\(1{,}7t_1\)
4	0,9	\(2t_1\)
9	1,35	\(3t_1\)

Když se výška zvětšila dvakrát (z 1 m na 2 m, nebo z 2 m na 4 m), čas se nezvětšil dvakrát. Přímá úměrnost neplatí. Hypotézu 1 musíme zavrhnout.

Můžeme si všimnout, že když se čas zdvojnásobí, je výška čtyřikrát větší – to je přece chování kvadratické funkce! Navrhneme Hypotézu 2: Výška je úměrná času na druhou.

Z hlavy ověříme, že tato hypotéza funguje pro výšky 4 m a 9 m. Pro jiné výšky by se nám hodilo závislost šikovně zapsat: \(s=4{,}9t^2\). S kalkulačkou byste ověřili, že tento vzorec platí pro všechny změřené časy – čili Hypotéza 2 je zákonem volného pádu na Zemi.

Tak jsme tu objevili jednoduchý fyzikální zákon pro pád těles, podobně jako to kdysi udělal Galileo Galilei, který je považován za průkopníka vědecké metody. Isaac Newton pak přišel s geniálním nápadem, že stejná síla, která přitahuje kameny k Zemi, by měla působit také na Měsíc a vůbec mezi všemi tělesy ve vesmíru. Trvalo ještě nějakou dobu, než byla jeho hypotéza potvrzena a vzniknul gravitační zákon. Ten se opět zapsal do dějin fyziky, neboť šlo o první fyzikální zákon, jehož platnost se týkala celého vesmíru.

Lidé někdy nerozumí podstatě vědecké metody správně. Nevědecké není to, co nedokážeme teoreticky vysvětlit (teorie může být špatná nebo ji vůbec nemáme). Nevědecké je to, co není podloženo pozorováním nebo experimentem. Úplně jasné to bude v následujícím příkladu.

Příklad 1

Představte si, že za vámi přijde člověk, který dokáže léčit určitou nemoc pomocí tablet, které obsahují 10²⁴ krát zředěný hadí jed. Toto ředění je tak silné, že ve většině tablet už není ani jedna molekula jedu, jsou tam jen pomocné látky. Navrhněte postup, jak pomocí vědecké metody budete schopni rozhodnout, zda je navrhovaná léčba účinná.

Řešení:

v zadání je popsán základ homeopatické léčby. Pro rozhodnutí o účinnosti není podle vědecké metody rozhodující teorie, ale experiment. Není tedy podstatné, co si myslíte o mechanismu účinku takového léku. Musíte provést průkazný experiment. Mohli bychom například sledovat dvě dostatečně velké skupiny pacientů. Jedné skupině podáme zkoumaný lék a druhé nikoliv a poté porovnáme jejich zdravotní stav. Zjistíme-li podstatný rozdíl mezi skupinami, můžeme říct, že lék je účinný.

Poznámka: v tomto případě vám zkomplikuje práci efekt zvaný placebo. Jde o to, že významný pozitivní dopad na pacientův zdravotní stav může mít pouhé vědomí toho, že mu byl podán lék. Proto se u testování léků používá vždy kontrolní skupina, které je místo léku podávána pouze pilulka bez účinné látky.

Co fyzika nedokáže?

Fyzika spolu s dalšími přírodními vědami dokázaly postupně vysvětlit obrovské množství jevů kolem nás do nejmenších detailů. Technické aplikace změnily náš svět k nepoznání. Přesto je dobré mít na paměti, že fyzika (nebo věda obecně) je ze své podstaty omezená jen na určitý druh otázek a problémů. Limity fyziky vychází z toho, co jsme napsali v této kapitole, a nyní je shrneme.

1. Vědecké teorie nejsou zaručeně správným popisem reality. Vychází totiž pouze z nám dostupných pozorování a omezených schopností naší mysli. Vždycky se mohou objevit nové poznatky, díky nimž budeme muset své teorie změnit.
2. Fyzikální modely nemohou nikdy popsat realitu zcela přesně, zejména v případě složitých systémů. Proto například není možné předpovědět počasí na měsíc dopředu nebo s jistotou určit, jaké číslo padne při hodu kostkou.
3. Přírodní vědy dokáží zkoumat pouze jevy, které jsou měřitelné a experimentálně dostupné. Často se setkáváme s otázkami Co bylo před stvořením vesmíru? Co je za jeho hranicemi? nebo dokonce Stvořil vesmír Bůh? Tyto věci jsou ale mimo naše pozorování, nelze je ověřit experimentem, a tudíž patří do filosofie. Rovněž pojmy štěstí, krása, dobro, zlo… zůstávají mimo přírodovědný popis, protože nejsou měřitelné. A přesto pro život velmi podstatné! Pokud vědec například pracuje na konstrukci atomové bomby, může pomocí fyziky předpovědět její účinky. Ale na otázku „je použití bomby správné?” fyzika žádnou odpověď nedává.

Z čeho se skládá hmota?

V této kapitole si představíme, zatím bez podrobnějšího zkoumání, některé základní poznatky, na kterých celá fyzika stojí. Budou se nám hodit v dalším studiu, proto na chvíli přeskočíme staletí fyzikálních objevů. Začneme strukturou hmoty. Asi nejdůležitějším objevem fyziky je fakt, že všechno kolem nás se skládá z atomů. „Atomos” znamená v řečtině nedělitelný, což nás odkazuje na nejmenší možnou, dále nedělitelnou částici hmoty.

Dnes už víme, že atom ve skutečnosti není tzv. elementární částicí, má svoji strukturu a dělit se dá. Atomy se skládají z jádra a obalu. V jádru najdeme protony a neutrony a obal je tvořen elektrony (viz obrázek).

Přestože atomy mají strukturu, stále je můžeme považovat za základní stavební kameny běžné hmoty, neboť rozbíjení atomu neprobíhá v přírodě příliš často. Počtem protonů v jádře je určeno, o jaký chemický prvek se jedná. Názvy a složení prvků najdeme v periodické tabulce (viz obrázek). Dnes už víme, že stabilních prvků je v přírodě 92. Z těchto 92 druhů atomů je tedy vytvořen ten úžasně rozmanitý svět kolem nás.

Na závěr je potřeba připomenout, že rozměry atomu jsou opravdu velmi malé – cca 0,000 000 000 1 m. Lepší představu nám o tom dá následující příklad.

Příklad 1

Uvažme, že by atom byl velký jako pomeranč, tedy asi 10 cm. Jaká by byla výška člověka, pokud bychom ho zvětšili ve stejném poměru?

Řešení:

Nejdřív si spočítáme zvětšovací poměr: pomeranč má 10 cm = 0,1 m. Takže zvětšovací poměr je 0,1 m / 0,000 000 000 1 m = 1 000 000 000. Pokud člověka o výšce přibližně 2 m zvětšíme ve stejném poměru, dostaneme 2 m · 1 000 000 000 = 2 000 000 000 m = 2 000 000 km. To je asi pětinásobek vzálenosti Země–Měsíc.

Protony a elektrony jsou nabité a mohou na sebe působit elektrickou silou. Elektrická síla způsobuje, že některé atomy se mohou spojovat do větších celků, kterým říkáme molekuly. Pravidla spojování atomů jsou předmětem zájmu chemie.

Atomy se nikdy nezastaví, jsou v neustálém pohybu a s rostoucí teplotou roste jejich průměrná rychlost. Zároveň se může s rostoucí teplotou měnit i jejich uspořádání – skupenství:

1. Pevné skupenství: Atomy jsou těsně u sebe, svázány vzájemně pevnými vazbami. Většinou tvoří také pravidelnou strukturu – krystal.
2. Kapalné skupenství: Atomy (molekuly) jsou těsně u sebe, ale žádné pevné vazby se díky vyšší teplotě nevytvoří. Pokud atomy drží pohromadě, tak jen velmi slabými vazbami.
3. Plynné skupenství: Atomy (molekuly) se volně pohybují prostorem, naráží do sebe nebo do stěn nádoby. Je mezi nimi hodně volného místa.
4. Plazma: Někdy je považováno za čtvrté skupenství látek. Teplota je tak velká, že se začnou oddělovat z atomů elektrony a vznikají ionty.

Příklad 2

Na stole je hrnek s horkou kávou. Vy sedíte u stolu a cítíte její vůni. Popište situaci z pohledu atomů a molekul.

Řešení:

Molekuly vody, ale i další látky v kávě obsažené se vypařují a uvolňují do vzduchu. Vzduch v místnosti není zcela v klidu a jeho proudění donese molekuly až do našeho nosu. Čichové buňky ve vašem nose rozpoznají známou vůni a pošlou do mozku informaci o vonící kávě.

Jak zapisujeme velká a malá čísla?

Rozsah velikostí ve vesmíru je obrovský – od atomového jádra (0,000 000 000 000 001 m) po mezigalaktické vzdálenosti (1 000 000 000 000 000 000 000 m). K zápisu takových čísel potřebujeme lepší způsob než hromadu nul. Jednou z možností je použít vědecký zápis čísla pomocí mocnin deseti. Zápis vypadá takto:

Číslo n (říká se mu exponent) může být z množiny celých čísel, tedy 1, 2, 3, … pro zápis velkých čísel (10¹ = 10, 10² = 100, 10³ = 100, …) a −1, −2, −3, … pro zápis malých čísel (10⁻¹ = 0,1, 10⁻² = 0,01, 10⁻³ = 0,001, …).

Zvyšováním exponentu můžeme posouvat desetinnou čárku doleva a naopak:

150 · 10⁶ km = 15 · 10⁷ km = 1,5 · 10⁸ km nebo 12 · 10⁻⁵ m = 1,2 · 10⁻⁴ m

Pomocí vědeckého zápisu můžeme rovněž převádět jednotky, například:

150 · 10⁶ km = 150 · 10⁹ m nebo 1,2 · 10⁻⁴ m = 0,12 · 10⁻³ m = 0,12 mm.

Pro hodnoty mezi tisícinou a tisícem ještě používáme tyto předpony:

Příklad 1

Zapište následující čísla pomocí vědeckého zápisu a poté s využitím vhodné předpony:

1. 1 světelný rok = 9 460 000 000 000 km =
2. řádová velikost atomu = 0,000 000 000 1 m =

Řešení:

1. 9 460 000 000 000 km = 9,46 ⋅ 10¹² km = 9,46 ⋅ 10¹⁵ m = 9 460 Tm
2. 0,000 000 000 1 m = 10^–10 m = 0,1 nm

Proč vlastně vědecký zápis používat? Má to několik výhod. Nemusíme psát mnoho nul. Můžeme snadněji porovnávat různé velikosti – podíváme se pouze na mocninu deseti a máme jasno. Kromě toho se s těmito čísly dá dobře počítat. Vše si ukážeme v úlohách.

Příklad 2

Vezměme v úvahu řádový rozměr atomu, který je asi 0,1 nm, a velikost bakterie řádově 10 µm. Kolikrát je bakterie větší než atom?

Řešení:

Vyjádříme-li oba rozměry v mocninách deseti, dostaneme:

• Velikost atomu: 0,1 nm = 1,0 · 10⁻¹⁰ m.
• Velikost bakterie: 10 µm = 1,0 · 10⁻⁵ m.

Exponent deseti se liší o 5, proto řekneme, že bakterie je o 5 řádů větší než atom, což znamená 10⁵krát větší neboli 100 000krát větší.

Příklad 3

Podle gravitačního zákona se každé dva hmotné body navzájem přitahují silou, jejíž velikost můžeme vyjádřit vztahem \[ F_\mathrm{g} = G\,\frac{m_1 m_2}{r^2} \] Tělesa mají hmotnosti m₁ a m₂, jsou od sebe vzdálená r a konstanta přímé úměrnosti je tzv. gravitační konstanta \(G = 6{,}67\cdot10^{-11}\ \mathrm{N\ m^2\ kg^{-2}}\).

1. Určete řádově (přibližně, bez použití kalkulačky) velikost síly, kterou se přitahují dva lidé o hmotnosti 70 kg ve vzdálenosti 2 m.
2. Určete velikost síly přesně s pomocí kalkulačky (použijte tlačítko EXP nebo ×10ⁿ)

Řešení:

1. \[F_\mathrm{g} = G\frac{m_1m_2}{r^2} = 7\cdot10^{-11}\cdot70\cdot70/2^2\ \mathrm{N} \approx 10^{-7}\ \mathrm{N}\]
2. \[F_\mathrm{g} = G\frac{m_1m_2}{r^2} = 8\cdot10^{-8}\ \mathrm{N}\]

Jak správně převádět jednotky?

Základní pravidla pro převody jednotek jistě znáte. Připomeneme zde ty nejdůležitější s využitím vědeckého zápisu tam, kde je to vhodné.

Co je to logaritmické měřítko?

Vzhledem k tomu, že tělesa a vzdálenosti kolem nás jsou co do velikosti velmi různé, není jednoduché tyto velikosti znázornit na číselné ose. Musíme si pomoci zvláštním měřítkem, kterému se říká logaritmické (název pochází od matematické funkce logaritmus, jejíž přesná definice ale pro tuto chvíli není potřeba). Logaritmické měřítko je určeno tak, že jeden dílek na číselné ose představuje desetinásobný skok. Jestliže se tedy díváte na dílek označený 1, sousední vpravo bude již 10¹, další 10² a tak dále. Směrem doleva budou dílky označeny 10⁻¹, 10⁻² atd.

Co dílek na ose, to 10× větší nebo menší rozměr. Dílky jednoduše odpovídají mocninám deseti. Na několika centimetrech pak můžeme znázornit velikosti objektů z celého viditelného vesmíru.

Příklad 4

Znázorněte pomocí logaritmické osy řádové velikosti těchto objektů:

atom	0,1 nm
virus	100 nm
tloušťka vlasu	0,1 mm
člověk	1 m
Země	10 000 km

Řešení:

Do tabulky jsme doplnili i některé další objekty.

Rozměry nám dostupného světa tedy dosahují rozměrů zhruba od 10⁻¹⁵ m (velikost jádra atomu) až po 10²⁶ m (13 miliard světelných let k nejvzdálenějším galaxiím). Zabírají tedy celkem 41 řádů! Na tomto obrovském rozpětí délek jsou však značné „mezery“. Například mezi 10⁻¹⁵ m (rozměr atomového jádra) a 10⁻¹⁰ m (rozměr celého atomu). Nebo například Slunce je od Země vzdáleno přibližně 10¹¹ m a další nejbližší hvězda (Proxima Centauri) je vzdálená 10¹⁶ m. Mezi těmito hvězdami pak najdeme pouze prázdný prostor. Struktura vesmíru je tedy značně děravá, stejně jako struktury hmoty na nejjemnějším měřítku.