1. Umeščenost znanosti in tehnike v človeško znanje

1. Umeščenost znanosti in tehnike v človeško znanje Skozi zgodovino človeštva se je človeško znanje dopolnjevalo in izpopolnjevalo do danes poznane stopnje razvoja. Človeško znanje je skupek urejenih informacij, ki nam pomagajo razumevati naš položaj v naravnem svetu in privedejo do njegovega razumevanja. Človeštvo deli vsa znanje na področja: religija, filozofija, umetnost, etika in znanost. Našteta področja znanja se med seboj delijo po načinu dojemanja posameznega znanja. Religiozno znanje temelji na virskih dejstvih v katere verjamejo verniki. Čeprav se še tako trudimo, verska dejstva niso znanstveno dokazljiva, temveč je potrebno v njih verjeti. Religija je sistem prepričanj in dejanj, s katerimi človek izraža svoj odnos do svetega. Filozofija je humanistična veda, ki se za razliko od posamičnih znanosti ne ukvarja s posameznim izsekom stvarnosti ali z njenim posebnim vidikom, temveč tematizira človeško izkustvo kot celoto (univerzalna znanost). Grška beseda φιλοσοφία je sestavljena iz besed φίλος, prijatelj in σοφία, modrost ter dobesedno pomeni ljubezen (oziroma prijateljstvo) do modrosti. Umetnost temelji na videnju posameznika umetnika. Zavedati se je potrebno, da v umetnosti ne obstaja absolutna resnica, temveč da velja dejstvo, ki ga najlažje opišemo z pregovorom»vsake oči imajo svojega malarja«. Etika je filozofski nauk o naravnosti, o dobrem in zlu. Raziskuje temeljne kriterije moralnega vrednotenja, pa tudi splošno utemeljitev in izvor morale, je skupek moralnih principov. Poznavanje in razumevanje znanosti ima v človeški zgodovini veliko vlogo. Znanost je način razumevanja s pomočjo ponovljivih opazovanj in skrbno nadzorovanih poskusov. Je metoda postavljanja in odgovarjanja na vprašanja o svetu, ki nas obdaja. Naloga znanosti je iskati zakonitosti, ki razlagajo organizacijo in razvoj v vesoljnem svetu. Znanost pokriva veliko področij, kot so fizika, kemija, astronomija, geologija, biologija. Vsako od teh področji je nekoliko posebno, vendar se je potrebno zavedati, da narava ne pozna mejnikov med posameznimi področji znanosti. Znanstveniki že stoletja opažajo enake zakonitosti v vseh področjih, ki izvirajo iz naravnih zakonov. Današnji človek si ne zna več predstavljati življenja brez znanosti in posledično iz nje izhajajoče tehnologije. Vsi smo uporabniki znanstvenih dognanj in sodoben človek mora biti znanstveno osveščen, saj ga le-ta nenehno obdaja. Razumevanje znanosti omogoča uporabnikom lažje odločitve v družbi kjer živijo, saj razumejo kako in zakaj produkti delujejo. Poslovnežem znanstvena osveščenost omogoča nove priložnosti. S pomočjo uveljavljenih odkritij pa se nenazadnje spreminja tudi notranja in zunanja politika držav, kot prikazuje slika 1. Ni dovolj, da svet spoznavamo in da se naučimo, po katerih zakonitostih deluje. V človekovi naravi je namreč neustavljiva želja, da ga hoče spreminjati, ga prilagoditi svojim potrebam in željam. intenziteta sprememb znanstvene spremembe tehnološke spremembe družbene spremembe poslovne spremembe politične spremembe čas Slika 1: Časovni potek sprememb kot posledica znanstvenega napredka. 1

1.1. Znanstveno mišljenje Znanost se zelo razlikuje od drugih človekovih znanj. Predvsem pa je tu razlika v vprašanjih, ki si jih znanost postavlja v primerjavi z ostalimi področji človekovega znanja. Znanstveniki lahko odgovarjajo samo na tista vprašanja, ki se nanašajo na njihove ponovljive poizkuse. Pri svojem raziskovanju znanstveniki uporabljajo raziskovalno metodo, ki jo prikazuje slika 2. Znanstveniki za preučevanje sveta uporabljajo veščine kot npr. opazovanje, sklepanje in predvidevanje. Uspešni znanstveniki imajo ob tem tudi še določene občečloveške vrednote in občutenja. Slika 1: Znanstvena metoda raziskovanja Znanstvenik pri svojem delu sestavi teorijo, ki zajema dosedanje izkušnje in že znane pojave in ki se mora, v okviru svojih predpostavk, ujemati tudi s poznejšimi odkritji. Pri tem je edini razsodnik eksperiment. Znanstvenik postavi hipotezo na podlagi sklepanja in že znanega v smislu najbolj verjetne razlage nekega problema. Z znanosti morajo biti hipoteze preverljive. To pomeni, da morajo znanstveniki izpeljati raziskave in zbirati dokaze, ki podprejo ali ovržejo hipotezo. Znanstveniki ne samo zbirajo podatkov, ampak skušajo tudi priti do nekih zamisli, ki bi razložile njihova opazovanja. Te zamisli imenujemo znanstvene teorije. Znanstvena teorija je dobro preizkušena in podprta znanstvena zamisel (koncept), ki zajema in ustreza vsem tem opazovanjem. Priznana teorija vzdrži, četudi jo vedno znova preverjamo. Brž ko je neka znanstvena teorija potrjena z različnimi eksperimenti, jo lahko smatramo kot pravilno. Poznejša odkritja jo ne morejo ovreči, lahko jo le dopolnijo in razširijo. Če znanstveniki neprestano prihajajo do enakih rezultatov, lahko teorija preide v znanstveni zakon. Za razliko od teorije, znanstveni zakon opisuje nek opazovan vzorec v naravi, ga pa ne razlaga. Znanstveni zakon je vnaprejšnje stališče ali trditev, ki opisuje, kaj se bo pri nekem poskusu zgodilo, če upoštevamo določene okoliščine. 1.2. Pomen fizike v multimedijski tehniki Fizika se dotika vseh vidikov človekovega življenja. Njena poglavitna naloga je odkrivanje in razlaganje naravnih pojavov. Gre za preučevanje snovi, energije in njihovih interakcij. Fizika je veda, ki izpopolnjuje človekovo znanje o naravnih pojavih ter predvsem išče osnovne zakone, ki posamezne pojave povezuje v logično celoto. Kot taka je eno od področij znanosti, ki se dotika vseh drugih znanstvenih področij. Zavedati se je potrebno, da so druge znanosti odvisne od konceptov in tehnik, razvitih s fiziko. Druga znanstvena področja uporabljajo zakone fizike, da bi bolje razumeli naravo svojih raziskav. Fizika razlaga naravne pojave večinoma prek matematične analize. 2

Fizika je ena izmed najtežjih predmetov, ki se poučujejo v šolah. Številni študentje se jo še bolj prestrašijo, ker uporablja matematiko. Kljub temu je fizika še vedno sestavni del izobraževalnega sistema, saj je za sodobno družbo nepogrešljiva. S pomočjo fizike so bile razvite nove metodologije, ki je pomagajo izboljšati kakovost življenja, vključno s telekomunikacijami in multimedijskimi komunikacijami. Odvisnost družbe od sodobnih tehnologiji predstavlja pomen fizike v vsakdanjem življenju. Veliko vidikov sodobne družbe ne bi bilo mogočih brez pomembnih znanstvenih odkritij v preteklosti. Ta odkritja so postala temelj, na katerem so bili razviti sodobne tehnologije. Odkritja, kot so magnetizem, elektrika, vodenje signalov so imela za posledico tehnološki napredek na področju televizije, računalnikov, telefonov in drugih tehnologij za poslovno in domačo uporabo. Od zaznavanja danega fizikalnega pojava in njegove fizikalne razlage je precejšen korak do njegove praktične uporabe v tehniki. Fizika je zato za vsakršnega tehnika predmet splošne izobrazbe, ki mu pomaga do hitrejše in učinkovitejše modernizacije tehnološkega postopka ali vpeljave nove metode. Električne pojave lahko razložimo le, če predpostavimo, da se znotraj atomov nahajajo električni delci elektroni. Električne spremembe nas pripeljejo do elektromagnetnih valovanj, kamor spadata tudi radijsko valovanje in svetloba. Elektromagnetno valovanje služi za prenos informacij na daljavo in je osnova telekomunikacij, tudi multimedijskih. Vsaka od poznanih metod komuniciranja na daljavo ima svoje prednosti in slabosti, ki direktno izvirajo iz fizikalnih pojavov. Tako lahko ločimo zelo hitre ali pa počasne komunikacijske tehnike. Medtem ko so nekatere tehnike komuniciranja sposobne premagovati velike razdalje so druge namenjene zgolj kratkim razdaljam. Glede na zasebnost komunikacijsko tehniko ločimo v privatno ali javno. Nekatere komunikacijske tehnike potrebujejo za svoje delovanje vrvice (žice, kable, optična vlakna), druge pa delujejo tudi v praznem prostoru. Nenazadnje je nekatere lažje izvesti in so posledično cenejše, kot tiste, ki pri katerih potrebujemo zapleteno komunikacijsko opremo, ki je tudi zelo draga. Za podrobno poznavanje načina delovanja komunikacijskih tehnik in njihovih lastnosti je nedvomno potrebno znanje iz fizike. 1.3. Znanstvena literatura na področju multimedije in komunikacij Pomemben del znanstvenega dela je pisno ali ustno objavljanje izsledkov raziskav. S tem si znanstveniki delimo ideje in rezultate poskusov z drugimi. To poteka na več načinov, npr. preko znanstvenih srečanj (simpozijev), izmenjave informacij preko interneta ali objavljanja v znanstvenih revijah. Znanstveniki izsledke svojih raziskav objavljajo v najrazličnejših znanstvenih in strokovnih publikacijah, ki so lahko monografije, periodične publikacije ali znanstveni zborniki izdani ob kongresih in simpozijih. S področja multimedijskih komunikacij sta v svetovnem merilu najbolj poznani reviji: IEEE MultiMedia, ki izhaja od 1994 IEEE transaction on MULTIMEDIA, ki izhaja od 1999 V slovenskem merilu nimamo podobnih publikacij, temveč se članki objavljajo v elektrotehniških revijah (nap. Elektrotehniški vestnik) ali računalniških revijah (nap. Monitor, Moj mikro,..) Področje telekomunikacij je pokrito s širokim spektrom znanstvenih in strokovnih revij. Nemalokrat se v njih zasledi tudi prenos multimedijskih informacij oziroma signalov. 3

2. Sistem merskih enot Lastnosti snovi in njihovo obnašanje opisujemo s fizikalnimi količinami, kot so npr.: dolžina, čas, masa, energija, temperatura, toplota, električna napetost in tok itd. Fizikalne količine moramo meriti, zato je primerno, da za vsako fizikalno količino izberemo primerno mersko enoto. Nekatere fizikalne količine so osnovne, kar pomeni, da lahko s temi količinami izrazimo ostale fizikalne količine. Ločitev fizikalnih količin na osnovne in sestavljene količine je precej poljubna. Glede na to, katere količine izberemo kot osnovne, ločimo več merskih sistemov. Danes je svetovno dogovorjen in najpogosteje v uporabi mednarodni sistem (angl. International System IS) merskih enot, v katerem so osnovne naslednje količine: dolžina, z mersko enoto meter (m); čas, z mersko enoto sekunda (s); masa, z mersko enoto kilogram (kg); temperatura, z mersko enoto stopinja kelvina (K); jakost električnega toka, z mersko enoto amper (A); množina snovi z mersko enoto mol (mol); svetilnost z mersko enoto kandela (cd). Kot dolžinsko enoto meter so izbrali dolžino, ki je približno enaka 40-milijonskemu delu zemeljskega ekvatorja. Izbrali so prototip metra iz litine platine in iridija in ga shranili v primernem prostoru v Parizu. Vsaka država ima svoj urad za kontrolo meril, ki hrani kopijo pariškega, standardnega metra. Kljub temu, da je litina platine in iridija precej odporna proti zunanjim vplivom, moramo vendarle imeti bolj zanesljiv prototip, ki se s časom ne bo spreminjal. Vemo, da svetloba v vakuumu potuje s končno hitrostjo, torej je primerno, če kot prototip dolžinske enote izberemo dolžino poti, ki ko svetloba v vakuumu naredi v časovnem intervalu 1/299 792 458 sekunde. Poleg osnovne dolžinske enote uporabljamo še manjše enote, npr. centimeter (cm=10-2 m), milimeter (mm=10-3 m), mikrometer (µm=10-6 m), nanometer (nm=10-9 m) itd. Najpogosteje uporabljeni večji enoti sta kilometer (km=10 3 m) ter svetlobno leto (pot, ki jo svetloba prepotuje v enem letu; uporablja se v astronomiji). Masno enoto kilogram so izbrali na podoben način kot standardni meter. Mednarodni prototip kilograma je izdelan iz platine in ima obliko valja, ki tehta enako kot 1 liter vode pri 4 C. V novejšem času pa masno enoto kontrolirajo z merjenjem mase atomov (s posebnimi instrumenti masnimi spektrometri, ki so zelo natančni). Poleg kilograma uporabljamo še manjše enote: gram (g=10-3 kg), miligram (mg=10-6 kg), mikrogram (µg=10-9 kg) ter atomsko enoto mase (u), ki znaša 1/12 mase atoma ogljikovega izotopa C 12, kar je 1,6605402 10-27 kg. Časovno enoto sekunda lahko definiramo s pomočjo poljubnega časovnega periodičnega pojava, katerega časovno ponavljanje je čimbolj neodvisno od zunanjih okoliščin. Takšni pojavi so npr.: majhna nihanja različnih nihal, vrtenje Zemlje okrog lastne osi ipd. Kot sekunda so izbrali čas, ki je 86400-ti del povprečnega sončnega dneva. Dnevno vrtenje zemlje je sicer precej stabilno, vendar je odvisno od porazdelitve mase znotraj Zemlje, ki pa se lahko spreminja. Zato je primerneje, če časovno enoto definiramo s pomočjo nihanj atomov v snovi atomska ura. Sekunda je definirana kot trajanje 9192631770 period radiacije, ki ustreza prehodu med dvema energijskima ravnema osnovnega stanja atoma cezij-133. Manjše časovne enote, ki jih v tehniki večkrat uporabimo, so: milisekunda (ms=10-3 s), mikrosekunda (µs=10-6 s) ter nanosekunda (ns=10-9 s). Večji enoti pa sta minuta (min=60 s) ter ura (h=3600 s). Osnovna enota za temperaturo je bila včasih stopinja, ki je bila definirana kot stoti del razlike med temperaturama vrelišča in zmrzišča vode pri normalnih pogojih. Izbrali so vodo, ker je ta snov najbolj razširjena in ker sta zmrzišče ter vrelišče vode pri izbranih pogojih točno določeni. Danes, je osnovna enota SI termodinamične temperature Kelvin, enaka 1/273,16 delu termodinamične temperature trojne točke vode O definiciji enote za jakost električnega toka, amper bomo več govorili pozneje, v okviru poglavja o magnetnih pojavih. Za zdaj povejmo le-to, da je določena tako, da en meter dolga odseka dveh neskončno dolgih paralelnih vodnikov z zanemarljivo majhnim krožnim premerom, med katerima je razdalja enega metra in po vsakem od katerih teče istosmerni tok jakosti enega ampera, delujeta drug na drugega s silo 2 10-7 newtonov. 4

Množino snovi podaja osnovna enota mol, pri čemer je mol množine snovi, ki vsebuje toliko osnovnih delov snovi, kolikor atomov vsebuje 0,012 kilograma izotopa ogljika 12 C. Pri uporabi te količine je vedno treba navesti, za kakšne osnovne dele snovi gre: atome, molekule, ione, elektrone, druge delce, ali določene skupine teh delcev. V 12g ogljika 12C je 602 000 000 000 000 000 000 000 atomov ogljika. Število 6,02.1023 imenujemo Avogadrova konstanta (N A ). Svetilnost se podaja v osnovni enoti kandela. Pri tem je kandela svetilnost, ki jo v dani smeri izseva izvor enobarvnega valovanja s frekvenco 540 10 12 hercev, ki v vsak steradian prostorskega kota izseva 1/683 vatov moči v fizikalnem merilu. Ko navajamo vrednosti fizikalnih količin, je nujno potrebno, da poleg merskega števila (ki pove število enot) povemo še mersko enoto. Če na primer podajamo neko dolžino, je v fiziki obvezno podati tudi dolžinsko enoto, drugače lahko hitro pride do zmešnjave in nesporazumov. Označevanje količin z enotami nam tudi pripomore pri reševanju enačb, kjer se nam enote lahko okrajšajo v osnovne ali množijo v sestavljene. 2.1. Enota za podajanje amplitude in jakosti signalov V fiziki, akustiki, elektrotehniki, telekomunikacijah in sorodnih področjih, kjer imamo opravka s signali mnogokrat njihovo jakost podajamo kot razmerje med spremenljivo količino in fiksno referenco. To razmerje je brez dimenzij, pri čemer se za enoto uporablja zapis decibel, kar okrajšamo z db. Decibel ni v mednarodnem sistemu merskih enot, je pa sprejemljiv za uporabo. Po dogovoru se d kot okrajšava za SI predpono»deci-«piše z malo, B pa z veliko, ker je okrajšava za enoto, ki izvira iz imena. Poimenovana je po kanadskem izumitelju Alexandru Grahamu Bellu, ki je najbolj poznan po izumu telefona. Odvisno od uporabe ima decibel dve definiciji. Kadar se nanaša na meritve moči ali jakosti je: [ db] = 10 log ref Ko pa se nanaša na meritve amplitude je: [ db] = 20 log ref kjer je ref referenčna vrednost z enako enoto kot. Referenčna vrednost je odvisna od dogovora in konteksta. Izražanje v decibelih je zelo praktično, ker se za izračun uporablja logaritem, kar pa omogoča izražanje v zelo velikem razponu razmerij z relativno majhnimi števili. To j Primer: Privzemimo, da je denar enako kot moč. Za koliko decibelov (db) se je povečala štipendija, če je iz 150 EUR narasla na 300 EUR. 300 EUR štipendija [ db ] = 10 log = 10 log 2 = 10 0,3 = 3 db 150 EUR Primer: Privzemimo, da je denar enako kot moč. Za koliko decibelov (db) se je znižala cena računalniškemu spominu, če je iz 50 EUR padla na 25 EUR. 50 EUR db = 10 log = 25 EUR 1 = 2 = računalniški spomin [ ] 10 log 10 ( 0,3) 3 db 5