Elixír do škol - 9. setkání

Ve čtvrtek 5. 5. 2016 proběhlo v učebně fyziky SPŠST Panská v budově v Malé Štupartské osmé setkání projektu Elixír do škol ve školním roce 2015/2016. Projekt zaměřený na zkvalitnění výuky fyziky zejména na základních školách je podporován Nadací Depositum Bonum. Toto setkání bylo věnováno moderním technologiím.

Když jsem během prázdnin v roce 2015 připravoval program celého běhu setkání na další školní rok, zvolil jsem na květen téma zaměřené na moderní technologie bez konkrétní představy, co a jak budeme probírat. Proto jsem již na březnovém setkání nabídl účastníkům možnosti, co bychom mohli v květnu probrat. Definitivně jsme si odhlasovali téma na dubnovém setkání. Z nabízených možností (GPS, fotoaparáty, gravitační vlny a další) si účastníci odhlasovali gravitační vlny.

„Něco jsem o tom slyšela, něco četla, ale moudrá z toho nejsem. Tak snad nám to přiblížíš tak, aby to bylo pochopitelné,“ zněla jedna reakce po výběru tématu.

„Uvidíme, budu se rozhodně snažit,“ usmál jsem se. Kostru přednášky o gravitačních vlnách jsem měl připravenou, protože jsem tuto přednášku chystal několik týdnů po ohlášeném objevu pro žáky naší školy. Pro účastníky elixírových setkání jsem navíc připravil doprovodný pracovní materiál, který by mohli případně využít pro své žáky na základních školách, pokud by jim chtěli nejen problematiku gravitačních vln přiblížit.

Po několika organizačních pokynech ohledně dalších setkání (červnové i výhled na další školní rok) jsem krátce po třetí hodině odpolední začal přednášku, která byla inspirovaná přednáškou doc. Jiřího Podolského z MFF UK Praha. Já jsem navíc přednášku doplňoval experimenty (v těch místech přednášky, kde to bylo možné a vhodné) i případnými cimrmanovskými úkroky stranou, abych problematiku více přiblížil potřebám učitelů základních škol.

Nemohli jsme začít jinak než přiblížit v krátkosti život a dílo Alberta Einsteina a některé z jeho úspěchů. Zejména pro Prahu je příjemné, že právě na pražské univerzitě formuloval část svých myšlenek, které přispěly k vývoji článků a rovnic popisujících gravitační vlny. Postupně jsem připomenul i tyto kroky a myšlenky, které se rodily postupně a které vyžadovaly spolupráci s jeho přítelem ze studií Marcelem Grossmannem.

Pak jsme se věnovali rozdílům mezi Newtonovým a Einsteinovým popisem gravitace. Kromě stupidního příkladu „co by se stalo, kdyby zmizelo Slunce“ jsme prokládali výklad řešením připravených úloh. A zrovna úlohy na téma gravitační pole a gravitační síly nedělaly účastníkům setkání žádné problémy.

Když se na tabuli objevila Einsteinova rovnice popisující vzájemnou gravitační interakci hmoty a prostoročasu, zaslechl jsem z učebny poznámky na téma, že to je právě to, co je pro žáky základních škol vhodné a dobře uchopitelné.

„Ano, vím, že tohle žáci ze základní školy nepoberou. To nevykládáme ani na střední škole,“ vysvětluji, „ale žáci by měli vědět, že prostě popis některých fyzikálních jevů není jednoduchý. A že na správný popis, který zahrnuje i různé vnější vlivy, je prostě vyšší matematika zapotřebí. Ale nebojte - právě tohle lze poměrně dobře ukázat pomocí jednoduchého modelu,“ usmívám se a přináším z gymnastické obruče a plavkoviny vyrobený model prostoročasu. Když do něj umístím tenisový míček vylitý olovem, plavkovina se prohne a model centrálního tělesa v prostoročasu je hotový. Pak beru malou ocelovou kuličku a modeluji pohyb planet kolem Slunce, pohyb družic kolem Země, … prostě jakýkoliv pohyb tělesa kolem centrálního tělesa budícího gravitační pole.

Téměř všichni si tyto jednoduché experimenty zkoušejí. Padne i návrh na vytvoření komplikovanějšího objektu - modelu nějaké dvojhvězdy. To jsem ale neměl připravené, proto okamžitá improvizace nedopadla tak, jak jsme očekávali. Přítomné ženy se pak ptají na látku, kterou jsem k výrobě použil.

Pak pokračujeme probráním vlastností gravitačních vln a jejich analogickým přirovnáním k vlnám elektromagnetickým, které byly v Einsteinově době již dobře prozkoumány. Způsob polarizace elektromagnetických vln ukazuji pomocí polarizačních filtrů se světlem, způsob polarizace gravitačních vln pomocí animace v programu Mathematica.

„Problém ovšem nastává v okamžiku, kdy chceme gravitační vlny detekovat,“ pokračuji dále. „Jejich amplituda je totiž velmi malá.“ Nutnou přesnost měření pak ilustrujeme výpočtem absolutní přesnosti určení takových vzdáleností, jako je vzdálenost Země - Měsíc, Země - Slunce, … A vycházejí opravdu šílené přesnosti, kterých nelze dosáhnout jinak než pomocí interferometrů.

Než se ale k principu interferometru dostaneme, zmíníme první neúspěšné měření amerického fyzika Webera a skutečný důkaz existence gravitačních vln, který fyzikům podali astronomové Hulse a Taylor v roce 1974. V tom roce objevili binární pulsar, který velmi detailně proměřili. Přitom zjistili, že pulsar o část své pohybové energie přichází, což jednoznačně znamená, že tento systém vyzařuje gravitační vlny. Měření a následné výpočty oběma astronomům přinesly v roce 1993 Nobelovu cenu.

Pak už se přesouváme k detekci gravitačních vln pomocí interferometrů. Velmi primitivní model takového interferometru včetně děliče svazku ukážu s využitím jedné stavebnice. Účastníkům se stavebnice libí a okamžitě se ptají, kde je možné jí koupit.

Dále pokračujeme popisem amerického interferometru LIGO, který 14. září 2015 gravitační vlny detekoval. Chápu, že některé technické detaily jsou asi za rámec výuky základních škol, ale přesto je zmíním. Jednak některé z účastníků to zajímá a navíc, když se budou žáci na některé aspekty detekce gravitačních vln nebo činnosti interferometrů obecně ptát, tak učitel bude vědět, že to už slyšel a bude mít šanci se k tomu vrátit a detaily dohledat. Popis srážky dvou černých děr, která detekované gravitační vlny vyvolala, připadá některým účastníkům jako sci-fi. Černé díry se srazily v době, kdy se v Evropě začínají objevovat první lidé - tedy před 21 tisíci lety. Při srážce uvažovaných černých děr se během 150 ms vypařila do prostoru hmota odpovídající třem našim Sluncím. A to vše se podařilo 14. září 2015 dopoledne detekovat!

Závěr přednášky je věnován stručnému nástinu budoucnosti detekce gravitačních vln. Je jasné, že abychom mohli detekovat gravitační vlny s nižší amplitudou, které způsobují jen velmi malé změny v prostoročasu, je nutné zvětšovat ramena interferometru. A stavět na povrchu Země interferometr s rameny délky přes 100 km, abychom dosáhli požadované citlivosti, je naprosto nepředstavitelné. Proto míří vědci do vesmíru, kde by se takový detektor mohl zrealizovat. A už na podzim roku 2015 byla vypuštěna první družice, která má otestovat možnosti detekce gravitačních vln ve vesmíru.

Krátce po páté hodině jsem povídání ukončil. Zdálo se, že se účastníkům přednáška líbila a že se příliš nenudili. To ostatně potvrdil i jeden žák naší školy, který se přednášky zúčastnil také. Vlivem nepřesných informací, které jsem mu předtím dal, nestihl přednášku určenou před dvěma měsíci pro žáky naší školy, proto jsem ho pozval na učitelské setkání. A myslím, že se nenudil!

Poděkování:

Zdroje:

Část průběhu přednášky zobrazují fotografie. Bohužel technika zklamala a další průběh přednášky zaznamenán nebyl. Více fotografií bylo pořízeno při podobné přednášce určené pro žáky školy.

Autorka fotografií:

Martina Kotibová

© Jaroslav Reichl, 7. 5. 2016