Κύριοι Κεχαγιά, Τσώνη βλέπουμε Κβαντομηχανική στον Woody Allen;

Αν ήταν γρίφος, θα μπορούσε να συνοδεύεται από τη φράση «είναι εδώ αλλά δεν την καταλαβαίνουμε».

Η Κβαντομηχανική όπως και η όλη Επιστήμη της Φυσικής στην οποία και ανήκει είναι εκείνος ο μεγάλος ελέφαντας στο χώρο που όσο και αν προσποιηθούμε ότι δεν τον βλέπουμε, είναι εκεί. Και μάλιστα, κάνει για εμάς πολύ περισσότερη δουλειά από αυτήν που φανταζόμαστε. Ο Αλέξανδρος Κεχαγιάς και ο Σπύρος Τσώνης αποφάσισαν όχι μόνο να μιλήσουν και να εξηγήσουν την Κβαντομηχανική συμπεριφορά αλλά να το κάνουν και σε μία ηλικία εξόχως σημαντική για την κατανόηση και την εξέλιξη του ατόμου. Την ηλικία πριν την ενηλικίωση. Την ηλικία που όντας στην τελευταία τάξη της μαθητικής μας καριέρας καλούμαστε από τη μία να κατανοήσουμε και να αφομοιώσουμε τη δύναμη της ύπαρξής μας και από την άλλη να κερδίσουμε βαθμούς που θα μας βοηθήσουν να εξελίξουμε την όποια τάση μας σε επάγγελμα.

Σε αυτό το σημείο, οι δύο συγγραφείς του πρώτου Βοηθήματος για την Κβαντομηχανική για παιδιά Τρίτης Λυκείου που κυκλοφορεί από τις Εκδόσεις ΡΟΠΗ, παίρνουν το λόγο για να μας εξηγήσουν τη βάση της απόφασης δημιουργίας τους αλλά και να προσπαθήσουν να μας κάνουν μια εισαγωγή στον περίφημο κόσμο της Κβαντομηχανικής.

Η Κβαντομηχανική σε μία εικόνα

H Κβαντομηχανική συμπεριφορά είναι απόρροια του δυισμού σωματιδίου-κύματος. Δηλαδή, ενώ στην κλασική Νευτώνια Φυσική που διδασκόμαστε στο σχολείο, ένα σωματίδιο είναι μια καλά ορισμένη έννοια ενός αντικειμένου με πεπερασμένο και συγκεκριμένο όγκο, στην Κβαντομηχανική μαθαίνουμε ότι ένα τέτοιο σωματίδιο μπορεί να συμπεριφερθεί και ως κύμα. Η ύλη δηλαδή, άλλωστε συμπεριφέρεται ως κύμα και άλλοτε ως κλασικό σωματίδιο. Αν θέλαμε λοιπόν να διαλέγαμε μια εικόνα για να περιγράψουμε την Κβαντομηχανική, μια καλή επιλογή θα ήταν ένα σωματίδιο που συνοδεύεται από μια κυματική διαταραχή.

Η απόφαση της δημιουργίας ενός Βοηθήματος Κβαντομηχανικής για τα παιδιά της Τρίτης Λυκείου

Η κβαντομηχανική είναι ένα απαιτητικό και παρεξηγημένο αντικείμενο εξαιτίας της ιδιομορφίας του και των ανοιχτών ζητημάτων που παραμένουν από τις πρώτες διαμάχες των δημιουργών της σε σχέση με την ερμηνεία των «αξιωμάτων της». Σε ένα επίπεδο Γ Λυκείου όπου η ύλη μέσω του εξεταστικού φίλτρου, θα καταλήξει σε επίπεδο ασκήσεων και «συνταγών», κάναμε μια προσπάθεια στην περαιτέρω αποσαφήνιση της παρουσίασης του σχολικού βιβλίου αλλά και στην παράθεση απλών και κατανοητών παραδειγμάτων όπου θα πρέπει να κινηθούν οι συνάδελφοι και μαθητές. Υπό αυτή την οπτική προσπαθήσαμε να αποφύγουμε εξαντλητικούς καταλόγους θεματολογίας που μάλλον θα αποπροσανατολίσουν παρά θα συνεισφέρουν στον εκπαιδευτικό στόχο. Με αυτό κατά νου ευελπιστούμε στο να καταφέρουμε τόσο να κρατήσουμε ανοιχτή την επιστημονική ματιά του μαθητή αλλά και να τον εφοδιάσουμε με τα απαραίτητα εργαλεία για τις εξετάσεις δίχως να εξαντληθεί!

Η κβαντομηχανική στην καθημερινότητά μας

Η κβαντομηχανική περιγράφει όλα τα φυσικά φαινόμενα και υπό αυτή την έννοια τα πάντα γύρω μας αυτή την περίοδο της ανθρώπινης διανόησης απαντούν και ερμηνεύονται με τη βοήθεια της κβαντομηχανικής θεώρησης. Μπορούμε να αναφέρουμε αμέτρητες εφαρμογές της κβαντικής μηχανικής στην καθημερινότητά μας: το λέιζερ, το τρανζίστορ (και συνεπώς τα μικροτσίπ), το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, η μαγνητική τομογραφία (MRI) για την απεικόνιση και την παραγωγή λεπτομερών εικόνων της ανατομίας και της φυσιολογίας του ανθρώπινου σώματος, το Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού Θέσης (GPS) και οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές είναι μερικά παραδείγματα. Επίσης, ο φωτισμός με λαμπτήρες φθορισμού βασίζεται στο γεγονός ότι ο υδράργυρος έχει την ικανότητα να εκπέμπει φως στην ορατή περιοχή. Έτσι, την επόμενη φορά που θα ανάψετε τα φώτα του δωματίου σας τη νύχτα, θυμηθείτε την Κβαντική Φυσική.

Οι πιο συνήθεις λάθος απόψεις που έχουμε για την κβαντομηχανική

Σε γενικές γραμμές δεν υπήρχε μέχρι πρόσφατα διάλογος κοινωνικός με θέμα την κβαντομηχανική. Για παράδειγμα η κοινή γνώμη δεν ασχολείται ούτε προσπάθησε να μυηθεί όσο προσπάθησε αντίστοιχα στα θέματα επιδημιολογίας και ιολογίας. Τα τελευταία χρόνια όμως με την ανάπτυξη της «τεχνητής νοημοσύνης» και την αντίστοιχη πρόοδο στους «κβαντικούς υπολογιστές» αυτό έχει αλλάξει. Βλέπουμε όλο και πιο συχνά να ιδρύονται ερευνητικά ινστιτούτα με σκοπό την κβαντική φυσική και τις εφαρμογές της. Την διεθνή αυτή τάση ακολουθεί φυσικά και η Ελλάδα που ανακοίνωσε την ίδρυση του πρώτου Ινστιτούτου Κβαντικής Υπολογιστικής και Κβαντικής Τεχνολογίας στην Ελλάδα, στο Εθνικό Κέντρο Έρευνας Φυσικών Επιστημών «Δημόκριτος». Αν τώρα προσπαθούσαμε να εντοπίσουμε κάποιες παρεξηγήσεις στην κατανόηση της κβαντομηχανικής, θα μπορούσαμε να πούμε ότι μια βασική παρεξήγηση είναι ότι η αρχή της απροσδιοριστίας αποτελεί αδυναμία ερμηνείας και πρόβλεψης της εξέλιξης ενός φαινομένου και ότι η κβαντομηχανική ανοίγει ένα παράθυρο στη μεταφυσική. Κάθε άλλο παρά έτσι είναι τα πράγματα. Πρόκειται για μια θεωρία υψηλής ακρίβειας και αυστηρότητας που είναι συνεπής με όλα τα πειραματικά δεδομένα που έχουμε στην διάθεση μας.

Γιατί ένας μαθητής να πάρει το Βοήθημα Κβαντομηχανικής Γ’ Λυκείου

Ευελπιστούμε, πέρα από την βοήθεια που θα έχει ο μαθητής, να του κεντρίσει το ενδιαφέρον και να αποτελέσει πέραν ενός χρήσιμου εργαλείου και ένα εγχειρίδιο για προβληματισμό δημιουργώντας απορίες πέρα από τις όποιες απαντήσεις προσπαθεί να δώσει.

Το μέλλον και οι συγγραφικές τους δραστηριότητες

Στόχος μας είναι να συνεχίσουμε την προσπάθεια που ξεκίνησε με την κβαντομηχανική και να προσφέρουμε στους μαθητές αλλά και στους καθηγητές της Δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης μία σειρά εγχειριδίων που θα έχουν ως στόχο μια πιο συνοπτική θεωρητική εισαγωγή και εξαγωγή ασκήσεων για την κατανόηση της θεωρίας και την αποσαφήνιση ιδιαίτερων ζητημάτων που κατά τη γνώμη μας απαιτούν προσεκτικότερη ανάγνωση και ανάλυση και δυσκολεύουν μόνιμα τους μαθητές. Βασικός οδηγός στην τελική διαμόρφωσή τους θα είναι ότι ανεξάρτητα από τις διαφοροποιήσεις κάθε φορά της εξεταστέας ύλης θα πρέπει να έχουν μια ρεαλιστική απεύθυνση ως προς τον όγκο τους και το περιεχόμενό τους σε επίπεδο πληροφορίας. Προκειμένου να γίνει αυτό θα πρέπει να είναι μινιμαλιστικό ως προς την πληροφορία αλλά μαξιμαλιστικό ως προς το βάθος το τελικό κείμενο, όπως πιστεύουμε πως καταφέραμε και στο εν λόγω σύγγραμμα της Κβαντομηχανικής Γ’ Λυκείου. Πετύχαμε να γράψουμε έναν αριθμό σελίδων που υπερκαλύπτει την εξεταστέα ύλη και όποιες μελλοντικές/εννοιολογικές ανάγκες και διαφοροποιήσεις και ταυτόχρονα είναι διαχειρίσιμο κείμενο από τους εκπαιδευτικούς/μαθητές, υπό την έννοια ότι μπορεί να ενταχθεί σε μια «μηνιαία από θέμα τάξεως χρόνου μελέτη» (με τέσσερις εβδομάδες περίπου φυσική την εβδομάδα επί τέσσερις περίπου εβδομάδες που θα χρειαστούν ανάλογα με τις εκπαιδευτικές ανάγκες), όσος δηλαδή θα είναι και ο χρόνος που θα διατεθεί πάνω κάτω για να καλυφθεί η ύλη σε βάθος!

Τα βασικά κενά του εκπαιδευτικού συστήματος πάνω στην επιστήμη της Φυσικής

Οι ελλείψεις δυστυχώς είναι πολλές και αυτό αντανακλάται στην μετέπειτα πορεία των μαθητών ως φοιτητές στην τριτοβάθμια εκπαίδευση όπου βασικές έννοιες φαίνεται ότι δεν έχουν κατακτηθεί. Πέραν των γνωστών προβλημάτων που αντιμετωπίζει κανείς στην οργάνωση και λειτουργία των σχολικών μονάδων, το πρόβλημα με τις θετικές επιστήμες και ειδικά με τη φυσική είναι η έλλειψη βασικού προσανατολισμού σχετικά με αυτό που θα πρέπει να θεωρηθεί ως βασική εκπαίδευση στη δευτεροβάθμια φοίτηση. Βασικοί στόχοι θα πρέπει να είναι η εκτέλεση και ερμηνεία απλών πειραμάτων αλλά και οπτικού υλικού πλέον από πιο σύνθετες διατάξεις ως μέρος των μαθημάτων. Η εξοικείωση με την εκπόνηση εργασιών πάνω σε απλά πειράματα, ή εργασιών σε σύγχρονα θέματα και όχι το «εξεταστικοκεντρικό» σύστημα που έχει δημιουργηθεί όλα τα χρόνια γύρω από τη φυσική. Η εξεταστέα ύλη αναφέρεται σε εξειδικευμένα κεφάλαια τα οποία δεν προσανατολίζονται στην δημιουργία μιας γενικότερης κουλτούρα που πρέπει να αναπτύξει ο μαθητής για να αποκτήσει επιστημονική σκέψη. Τέλος να τονίσουμε ότι η παρουσίαση των εννοιών πρέπει να γίνεται απλά και κατανοητά και να θυσιάζεται η όποια τεχνική λεπτομέρεια προκειμένου να επιτυγχάνεται η βαθύτερη κατανόηση αλλά και η εξοικείωση με τις έννοιες που στοχεύουμε. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν τα ΦΕΚ για την ύλη της φυσικής όπου κυριολεκτικά καταλήγουν σε κολάζ αποσπασμάτων με αποτέλεσμα να χάνεται η όποια ροή μπορεί να επιτευχθεί από τη συνολική ανάγνωση ενός κειμένου.

Οι μαθητές και ο φόβος για τη Φυσική

Στο κλίμα που περιγράψαμε παραπάνω ο τρόπος που παρουσιάζεται η ύλη της φυσικής είναι ιδιαίτερα συμπυκνωμένος. Αυτό δικαιολογεί την όποια δυσκολία και μάλιστα όταν συνοδεύεται από ένα τεράστιο πλήθος ασκήσεων και μεθοδολογιών και εν δυνάμει θεμάτων εξετάσεων. Οι τεχνικές έννοιες που καλούνται οι μαθητές να αφομοιώσουν είναι περίπλοκες, απαιτούν πολλές φορές μαθηματική ωριμότητα την οποία επίσης καθυστερεί να αναπτύξει ο μαθητής με αποτέλεσμα να δυσκολεύεται περαιτέρω. Ο αυτοσκοπός του «να τα λύσει κάποιος όλα» προκειμένου να επιτύχει στη σχολή της αρεσκείας του δεν ενισχύει τη δημιουργία κριτικής ικανότητας και συμφιλίωσης με το αντικείμενο.

Τα βιβλία, οι ταινίες, τα ντοκιμαντέρ που θα πρότειναν σε ένα μαθητή/μαθήτρια που θέλει να διευρύνει τις γνώσεις του/της πάνω στη φυσική

Δύο κλασικά βιβλία είναι «Η εξέλιξη των ιδεών στη Φυσική», Einstein A., Infeld L. το οποίο είχε κυκλοφορήσει σε μετάφραση του Ε. Μπιτσάκη από τις Εκδόσεις Δωδώνη καθώς και το «Πώς να Εξηγήσουμε τον Κόσμο” του Steven Weinberg που κυκλοφορεί σε μετάφραση της Αιμιλίας-Αλεξάνδρας Κρητικού από τις εκδόσεις ΡΟΠΗ. Από ταινίες, παρότι δεν είναι εύκολο θα ξεχωρίζαμε: το κλασικό φιλμ του Kubrick, «2001: A Space Odyssey», την τριλογία «Back to the Future" για ταξίδια στο χρόνο αλλά και την  ευχάριστη και δροσερή παρωδία του Woody Allen «Sleeper» του 1973, που μεταφέρει το διήγημα του προφητικού H.G.Wells (ο οποίος παρεμπιπτόντως έχει επηρεάσει ιδιαίτερα την επιστημονική σκέψη αλλά και επιστημολογία του εικοστού αιώνα), το φιλμ των αδελφών Cohen του 2009 «A Serious Man» και πιο «εμπορικά» όπως το «Interstellar» καθώς και το «Tenet» του Nolan το 2020, που κινούνται στο κλασικό μοτίβο των περισσοτέρων σε σχέση με τη ροή του χρόνου, το παράδοξο των διδύμων και τη φυσική του χωροχρόνου.

H συμβουλή σε ένα παιδί που θέλει να δραστηριοποιηθεί στις θετικές επιστήμες

Αν είναι αυτό που θέλει να κάνει, να μην διστάσει καθόλου. Οι θετικές επιστήμες ήταν και θα είναι η κύρια πηγή της ανάπτυξης και της καινοτομίας για όλες τις επιστήμες. Για τις θετικές επιστήμες και συγκεκριμένα για τη φυσική είναι ξεκάθαρο ότι όσο περισσότερο φυσική έχει μελετήσει ένας γιατρός, βιολόγος ή μηχανικός και μαθηματικός τόσο περισσότερη άνεση θα αισθάνεται στον τομέα του και θα έχει μεγαλύτερες πιθανότητες να συμβάλλει καθοριστικά στην εξέλιξη της επιστήμης του. Η φυσική είναι πολυδιάστατη και με ιστορία ανατροπών, όπου στη μελέτη της έχει πολλά «πεδία» σε αντίθεση με άλλες πιο μονοδιάστατες επιστήμες.

Και μία ακόμη συμβουλή σε αυτό, από τον Σπύρο Τσώνη

Αν μου επιτρέπετε να προσθέσω και από την προσωπική μου εμπειρία στον τομέα των Ναυπηγών, που αυτή έλαβε χώρα από το πρίσμα του φυσικού και δεν άλλαξε στην πορεία της. Το δίδαγμα πολύ συνοπτικά είναι ότι η σε βάθος μελέτη των υδάτινων κυμάτων δεν είχε καμία διαφορά απο το να μελετάω θεωρητική φυσική καθώς οι μερικές διαφορικές εξισώσεις ήταν πανομοιότυπες. Αυτό που διαφοροποίησε τη σκέψη μου ήταν ότι η «σύγχρονη φυσική» εμπεριέχει έναν απαιτητικό φορμαλισμό μαθηματικό ο οποίος είναι τόσο κομψός πολλές φορές που δημιουργείται η ψευδής εντύπωση ότι (εξαιτίας όμως του τρόπου διδασκαλίας και της διαμόρφωσης των προγραμμάτων σπουδών) η κλασική μηχανική είναι μάλλον «εύκολη» αλλά και η υπομανία που υπάρχει στους κόλπους της θεωρητικής φυσικής ότι όλα θα περιγραφούν κάποια στιγμή από απλές εξισώσεις/νόμους. Η πραγματικότητα παραμένει (ευτυχώς!) σύνθετη και «δυσερμήνευτη».