Široké spektrum velikostí objektů našeho světa, zkoumaných různými obory fyziky a přírodovědy pomocí různých nástrojů
| AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie | Gravitace, černé díry a fyzika |
Kapitola 1
GRAVITACE A JEJÍ MÍSTO VE FYZICE
1.1. Historický
vývoj poznatků o přírodě, vesmíru, gravitaci
1.2. Newtonův gravitační zákon
1.3. Mechanická LeSageova
hypothéza podstaty gravitace
1.4. Analogie mezi gravitací a
elektrostatikou
1.5. Elektromagnetické pole.
Maxwellovy rovnice.
1.6. Čtyřrozměrný prostoročas
a speciální teorie relativity
1.1. Historický vývoj poznatků o přírodě, vesmíru, gravitaci
Gravitace je síla, se kterou je ve formě zemské tíže každý člověk bezprostředně a neustále ve styku od narození po celý život a lidstvo se takto s gravitačními jevy setkává od prvopočátků. Přesto (nebo snad právě proto), podobně jako u většiny základních přírodních jevů, na gravitaci panovaly velmi dlouhou dobu naprosto zcestné názory a můžeme říci, že původ a podstata gravitace není zcela vysvětlena ani nyní. V tomto odstavci si velmi stručně zrekapitulujeme, jak se názory na gravitaci, prostor, čas, hmotu, vesmír a přírodu vůbec, postupně vyvíjely a tříbily od starověku až po dnešek.
Přírodověda ve
starověku
Prvopočátky vědy ve starověku vznikaly z
pohnutek veskrze pragmatických: systematicky a správně řešit
problémy, které život přinášel. Takovými konkrétními
problémy byly např. stavby kultovních objektů a budování
zavlažovacích systémů, racionální hospodaření a
obdělávání půdy, distribuce potravin nebo jiných
předmětů a jejich směňování a pod. K řešení takových
úkolů bylo třeba naučit se stanovovat vzdálenosti,
výškové rozdíly a rozlohy, studovat a předpovídat počasí,
počítat a rozdělovat zboží co do kvality i kvantity.
Potřeby směny a distribuce vedly k zavedení základních aritmetických úkonů sčítání, odčítání, násobení a dělení. Tyto operace, které jsou vyjádřením vlastností běžných materiálních objektů, zobrazují (modelují) skutečně probíhající procesy s reálnými tělesy. K určování vzdáleností a velikostí objektů byla zavedena měřítka *), tj. určité standardní předměty, pomocí nichž lze srovnáváním vyjádřit velikosti jiných předmětů. Jinými slovy, množství a velikostem skutečných těles byla přiřazena čísla - jejich počet a rozměry - s nimiž se operovalo podle pravidel aritmetiky a výsledná čísla se zpětně převáděla na odpovídající množství a velikosti reálných předmětů. Takto se v lidské činnosti objevila matematika jakožto nauka o modelech a začalo se (zpočátku podvědomě) používat obecné schéma :
skutečnost ® model ® skutečnost
ň
ń
matematika
*) V minulosti lidé volili základní mechanické jednotky pro měření vzdáleností, času a hmotnosti (množství hmoty) podle okolí v němž žili a s použitím předmětů, s nimiž se setkávali. Pro délku to byly nejdříve lidské míry jako "stopa", "loket" nebo "palec", později, když již byl znám tvar a přibližná velikost Země, se délková jednotka "kilometr" stanovila jako 1/40000 délky zemského rovníku, z ní pak "metr". Čas se odvozoval z doby jedné otáčky Země - "den"; ten se rozdělil na 24 "hodin", hodina na 60 "vteřin" (sekund). I když dnes jsou tyto jednotky definovány mnohem přesněji, než pomocí vlastností Země, z historických důvodů zůstaly v zásadě zachovány a jejich fakticky náhodný výběr zastiňuje některé fundamentální vztahy v přírodních zákonitostech, kde se vyskytují složité konstanty, jejichž velikost je dána právě volbou jednotek.
Astronomická pozorování. Astrologie,
alchymie; šarlatánství
Již v prehistorických dobách lidé vypozorovali, že
periodicky se opakuje nejen den a noc, ale též roční období,
přičemž existuje těsná souvislost mezi těmito denními a
ročními obdobími a pohybem Slunce, Měsíce a planet po
obloze. Nutnost určovat a předpovídat denní a roční
období, tj. přírodní podmínky pro zemědělské i jiné
práce, proto přirozeně vedla k astronomickým
pozorováním a k zavedení jim odpovídajících
časových jednotek: den, měsíc, rok (měření času jak
krátkodobé - hodiny, tak dlouhodobé - kalendář). V
pozorování oblohy ve starověku vynikli zvláště
Babylóňané a Egypťané.
Pozorované souvislosti mezi periodickými
přírodními ději a pohybem nebeských těles, jejichž
příčiny starověcí pozorovatelé neznali,
navodily představu, že s polohami a pohyby nebeských těles
souvisejí i další jevy na Zemi *) - různé katastrofy, války
a dokonce průběhy lidských osudů. Z této falešné
představy se vyvinula astrologie,
která až do konce středověku byla hlavním motivem
astronomickych pozorování. Již Koperníkovy a Keplerovy
poznatky a pohybu planet však činily astrologická tvrzení
značně nepravděpodobnými: jednotlivé
planety se při pozorování z jiné planety - Země - během
svého pohybu náhodně promítají do různých
souhvězdí (ostatně také náhodně se promítajících) na
hvězdné obloze; není důvod připisovat těmto náhodným
projekcím jakýkoli reálný vliv na průběh dějů a
událostí. Skutečně, od těch dob již vzdělaní lidé
většinou v astrologii nevěřili; vzpomeňme jen slova
J.A.Komenského: "Astrologové,
to nejsou hvězdáři, ale z hvězd lháři ! ". Další přírodovědné poznatky toto
stanovisko ještě určitěji potvrdily. Těžko si představit,
že zdánlivé projekce Sluncem ozářených planet na náhodné
obrazce souhvězdí na obloze by mohly nějak ovlivňovat třebas
složitou strukturu makromolekul DNA uvnitř zárodečných
buněk druhu homo sapiens na jedné z dalších planet
obíhajících kolem Slunce! Astrologie tedy již dávno není
vědou, ale může být pěknou hrou, používající
astronomické rekvizity...
*) Je zajímavé, že s představami
vesmírného působení se opět setkáváme i v moderní fyzice
v souvislosti s některými interpretacemi Machova
principu, podle nichž lokální fyzikální zákony
jsou určeny rozložením a pohybem veškeré hmoty ve vesmíru -
viz "dodatek A". S astrologickými představami to
však nemá nic společného.
S astrologií úzce souvisela i další
falešná cesta *) zkoumání přírody - alchymie,
která se na základě některých metafyzických principů a
filosofických představ snažila dosáhnout transmutace prvků a
nalézt univerzální "kámen mudrců". Alchymisté
však při svých pokusech (z hlediska tehdy požadovaných
cílů zákonitě neúspěšných!) nashromáždili velké
množství empirických poznatků, které se později, po
opuštění nesprávných alchymistických představ, staly
důležitým východiskem pro poznání skutečné podstaty
chemického slučování látek - základem pro vybudování chemie.
*) Pozn.: Toto kritické hodnocení se vztahuje jen na přírodovědnou
stránku alchymie a astrologie! Některé duchovní a
filosofické aspekty, zvláště snaha o jednotné
pojetí jsoucna, o duchovní zdokonalování,
přeměnu neušlechtilého v ušlechtilé, sloučení umění a
vědy, byly na svou dobu na vysoké úrovni a mohou nás
oslovovat i dnes. U nynějších zastánců alchymie a astrologie
se však často setkáváme s nedorozuměním,
souvisejícím se zaměňováním a slučováním chybných
přírodovědeckých představ minulosti s hodnotnými
duchovními a filosofickými myšlenkami trvalé platnosti.
Šarlatánství
versus přírodověda
Z myšlenkového podhoubí astrologie, alchymie a náboženských
představ vyrůstají i některé novější
šarlatánské směry - parapsychlogie
označující sama sebe zavádějícím názvem psychotronika,
různé představy o auře, kosmické
energii, geopatogenních zónách, megalytické legendy,
homeopatie a alternativní medicína. Při této
příležitosti učiníme stručnou zmínku o těchto
znepokojivých omylech, které se paradoxně v
posledních desítiletích čím dál častěji vyskytují ve
vědomí lidí.
Zasatánci těchto představ často tvrdí, že naši předkové
již v dávnověku ("megalytická kultura") znali a
využívali tajemnou "kosmickou energii" a disponovali
zázračnými schopnostmi. Dnešní vědu obviňují z ignorance,
že to neuznává...
Moderní šarlatáni vybavují staré pověrečné představy novými
"vědeckými"
rekvizitami - mluví, aniž vědí co to je, o kvantech
energie, gravitonech, sjednocených interakcích, informačních
polích, relativistických efektech a cestování v čase,
tachyonech a nadsvětelných rychlostech a řadě dalších
pojmů, které si, bez hlubšího prostudování a pochopení,
vypůjčili z arzenálu platných teorií současné vědy.
Používají počítače a své fantasmagorie šíří pomocí
informačních technologií...
Pro většinu šarlatánských směrů je příznačné nedorozumění,
s jakým zacházejí s pojmem energie. Mluví se
o mentální, životní, psychické, magnetické, vesmírné,
božské, éterické, negativní či pozitivní energii, o
energetických zónách. Fyzikální význam energie se přitom
plete a zaměňuje s běžnou lidovou
představou o biologické a psychické (mentální)
"energii", která je z faktického hlediska
kombinatorickou a biochemickou vlastností uspořádání
složitých molekul a jejich systémů v organismu; s
fyzikálním pojetím energie nemá nic společného.
Nepřekvapuje, že v důsledku takového zmatení pojmů
vznikají často velmi bizarní bláboly. Mluví
se o různých energetických vysílačích, přijímačích či
odrušovačích, zónách, aurách, "energeticky
aktivní" vodě a jiných látkách, zázračných
energetických vlastnostech pyramid či jiných staveb...
Žádná odění do moderního, zdánlivě vědeckého hávu,
nemohou nic změnit na skutečnosti, že všechna tato tvrzení
jsou jen zcela nepodloženými doměnkami,
pocházejícími z předvědeckého období a z mylných
přírodovědných představ minulosti. Nyní jsou tato
východiska již dávno vyvrácena. Přesto však vývodům z
nich mnoho důvěřivých lidí, s nedostatečně rozvinutým
kritickým myšlením, i nadále věří. Nedokáží rozeznat,
že zdánlivé úspěchy alternativní medicíny jsou způsobeny
placebo-efektem a proklamovaná úspěšnost psychotroniky je ve
skutečnosti jen výběrovým efektem - z
pravděpodobnosti 50% na 50% jsou neúspěšné případy vyňaty
a zapomenuty, zatímco (náhodně) úspěšné případy jsou
glorifikovány a široce publikovány. Objektivnímu porovnání
a konfrontaci (nezávislé pokusy "naslepo" s
následným statistickým vyhodnocením) se šarlatáni
většinou důrazně brání; argumentují, že "vědecký
dozor" vede k inhibici jejich mentálních schopností, nebo
ruší jejich spojení s transcendentnem, kosmickou energií,
bohy či démony a pod. Pokud se podařilo některá taková
porovnání přece jen uskutečnit (např. vrty pro nalezení
vody virgulí), neprokázala se statistická
významnost paranormálních jevů.
Racionální postoj ke zprávám o zázracích a nadpřirozených
jevech vyjádřil již skotský filosof David Hume (1711-1776)
slovy: "Žádné svědectví není s to dokázat
zázrak - to by muselo jít o svědectví takového druhu, že
jeho mylnost by byla ještě zázračnější než událost,
kterou se snaží dosvědčit". Jinými
slovy, omyl nebo lež je pravděpodobnější, než zázrak.
Tento postoj se někdy označuje jako "Humeova břitva",
odřezávající hodnověrné informace od nepravděpodobných a
patrně mylných. Uvnitř samotné vědy se pak používají
kritéria zvaná "Occamova břitva" a "Popperova
břitva" - viz "Vědění:
zkušenost + věda.
Informovanost - vzdělání - moudrost." v monografii "Jaderná fyzika a fyzika
ionizujícího záření".
Toto všechno by by ve fyzikálně orientované práci vůbec
nestálo za zmínku, kdyby se v posledních letech tyto iracionální
představy stále více nešířily... Pro srovnání
viz též esej "Věda a náboženství".
Prostor,
čas, hmota, vesmír
Při empirickém pozorování přírody a nacházení jejich
zákonitostí se utvářely důležité abstraktní pojmy
jako je prostor, čas, pohyb, hmota, které jsou jistými obrazy
obecných (univerzálních) vlastností jsoucna. Vznikaly snahy
dát jednotlivé izolované poznatky do souvislosti,
zobecňovat je a extrapolovat. Otázky jako "Kdy a jak
vznikl svět (vesmír)?", "Jak velký je
vesmír?", "Z čeho je složena hmota?" a pod.,
jsou zřejmě tak staré, jako je uvědomělé přemýšlení
lidí o přírodě.
Jednou ze základnich otázek, které klade filosofie
je, kde najít podstatu veškerého jsoucna -
základní "prahmotu" (nejjednodušší a
nerozložitelnou pralátku) z níž vznikly a z níž jsou
složeny všechny věci, rostliny, zvířata a lidé. Starověká
filosofie, která do skutečné podstaty věcí a jevů nemohla
proniknout, naivně považovala za podstatu některé povrchní a
čistě jevové aspekty skutečnosti, založené na
bezprostředních smyslových počitcích. Tak byla za základní
pralátku považována voda (Thales)*), vzduch (Anaximenes) nebo
oheň (Herakleitos). Později byly postulovány čtyři
základní (nezávislé a nepřecházející jedna v druhou)
pralátky, neboli prvky (živly), z nichž je celý svět
vybudován: voda (jako podstata kapalin), vzduch (jako
představitel plynného skupenstvi), země (jako nositelka
vlastnosti pevných látek) a oheň (jako původce pohyblivosti a
proměnlivosti). Spojením těchto čtyř živlů v určitých
poměrech mělo vznikat vše, co v přírodě pozorujeme.
*) Ve světle dnešních poznatků však
lze říci, že Thales nebyl zase tak daleko od pravdy: podle
současné astrofyziky se skutečně všechny prvky utvořily ve
hvězdách jadernými reakcemi z vodíku, který
vznikl z elementárních částic generovaných při velkém
třesku (viz. kap.5).
Toto učení o čtyřech základních prvcích světa bylo rozvinuto zvláště Aristotelem (384-322 př.n.l.), který jej doplnil koncepcí čtyř základních vlastností (podstat), kterými jsou teplo, chlad, vlhkost a suchost. Vzájemným spojením takových "podstat" měly vznikat jednotlivé základní prvky světa (např. voda z vlhkosti a chladu, oheň z tepla a sucha). Podobné představy se udržely až do středověku, kde byly základem alchymie.
Filosofové se zabývali rovněž otázkou, jak je ze základních prvků hmota sestavena. Co se týče struktury hmoty, jsou v podstatě dvě možnosti: buď je hmota spojitá (neomezeně dělitelná), nebo se skládá z určitých malých "zrníček" (atomů), které jsou již dále nedělitelné. Ve starověku nebylo možno mezi těmito dvěma možnostmi nijak spolehlivě rozhodnout, takže v různých filosofických školách se razily obě koncepce. Nauku o atomech rozvinul hlavně Demokritos (asi 460-370 př.n.l.), který nutnost existence dále již nedělitelných atomů odůvodňoval tím, že při neomezené dělitelnosti by nakonec nezbylo nic, co by mohlo být nositelem vlastností dané látky. Tato spekulativní úvaha je založena na předpokladu, že dělením se vlastnosti látek nikdy nemění a že látka sama je nositelem všech svých vlastností. Filosofická theze o strukturnosti hmoty je téměř všeobecně přijímána v metodologii přírodních věd.
Gravitace
a vesmír ve starověku
V nejstarších dobách, před začátkem uvědomělého
zkoumání přírody, lidé zřejmě o gravitaci
nijak nepřemýšleli; byla natolik běžná a všední, že si
na ni lidé zvykli a nevšímali si jí. Zemskou tíži chápali
jako naprostou samozřejmost a přirozenou snahu předmětů
padat dolů k zemi. Poznávání toho, čemu dnes říkáme
gravitace, bylo dříve spojeno ponejvíce s astronomií.
Astronomie a filosofie vůbec (veškeré učení o přírodě
bylo tehdy součástí filosofie) dosáhla zvláště vysoké
úrovně v období antické řecké kultury. Některé antické
filosofické školy (reprezentované Thalesem Miletským,
Pythagorasem, Aristarchosem, v Indii pak Arjabhátou) tehdy měly
kupodivu poměrně realistický obraz o tvaru, rozmístění a
pohybu blízkých planet (včetně Země) kolem Slunce *).
*) Názory na skutečnou úroveň
starověké vědy se někdy různí. Vyskytují se senzační
tvrzení o využívání elektřiny a atomové energie a o
znalostech vzdáleného vesmíru u starověkých civilizací.
Tato trvzení jsou však naprosto nepodložená. Odkaz
starověkých myslitelů je totiž natolik bohatý a obsáhlý,
že mezi stovkami a tisíci myšlenkami a výroky (často
vzájemně protichůdnými) lze najít i takové, které se,
víceméně náhodně, shodují se závěry
moderní vědy. Do těchto tvrzení pak někdy vkládáme smysl,
kterému by se jejich autoři asi velice podivili.
Rozvoj přírodních věd, především
astronomie a celkového světového názoru, na dlouhou dobu
výrazně (a bohužel převážně negativně) ovlivnilo učení
nejvýznamnějšího představitele řecké filosofie -
Aristotela. Toto učení bylo vrcholem antické naturfilosofie.
Aristoteles vyšel ze základních smyslových zkušeností z
pozemského života, že těžká tělesa se snaží padat dolů
k zemi, zatímco "lehké" objekty jako dým nebo oheň
stoupají vzhůru. Na základě toho Aristoteles vyhlásil
koncepci "přirozených míst" a "přirozených
pohybů": přirozeným místem těžkých látek (zeminy a
vody) je "být dole", přirozené místo lehkých
látek (ohně a vzduchu) je "nahoře". Těchto
přirozených míst dosahují tělesa svými "přirozenými
pohyby", které trvají jen potud, než je dosaženo
přirozeného místa. Přirozeným pohybem zeminy a vody je
klesat dolů, přirozeným pohybem vzduchu a ohně je stoupání
vzhůru *). Všechny jiné pohyby jsou vynuceny vnější silou.
*) Filosofickou thezi, že "podobné
směřuje k podobnému", vyslovil jíž Platón, který tak
vysvětloval skutečnost, že hmotná tělesa padají k zemi.
Tato koncepce spolu s předpokladem, že
Vesmír má jen jeden střed tíže, vedla Aristotela k
následujícímu obrazu světa: ve středu vesmíru stojí
nehybná Země, v níž se shromáždila nejtěžší hmota
vesmíru - zemina a voda (Země je složena ze zeminy a vody
nacházejících se na svém přirozeném místě, takže je v
klidu). Vesmír (tj. Země a okolí) se skládá z jednotlivých
sférických vrstev: zemina, voda, vzduch, oheň. Všechna
nebeská tělesa jsou složena z nejlehčí a
"nejdokonalejší" látky - éteru - a vykonávají
"dokonalý" rovnoměrný kruhový pohyb po jakýchsi
sférách, jimiž jsou neseny. V Aristotelově pojetí je tedy
vesmír složen ze dvou diametrálně odlišných částí:
pozemské a nebeské.
Co se týče pohybu jako takového, Aristoteles učil, že
tělesa se pohybují jen tehdy, když jsou poháněna nějakou
silou (vůz tažený oslem se zastaví, když osel přestane
táhnout). Setrvačnost Aristoteles neznal, protože neprováděl
pokusy a nedokázal dostatečně snížit nebo odmyslit si
tření. O pádu těles k zemi Aristoteles tvrdil, že rychlost
pádu tělesa je úměrná jeho váze; tento chybný závěr
opět vznikl na základě běžné zkušenosti, že lehká
řídká tělesa padají daleko pomaleji než hutná těžká
tělesa.
Aristotelovu geocentrickoou kosmologii dále propracoval Ptolemaios (asi 100-160n.l.), který rozpory mezi předpokládaným dokonale rovnoměrným pohybem a pozorovanými nepravidelnostmi pohybu planet spolu se změnami jejich jasnosti (svědčícími o změnách vzdáleností mezi Zemí a planetami) vyřešil hypothézou, že skutečné pohyby planet vznikají skládáním dvou nebo více rovnoměrných kruhových pohybů (tzv. deferentu, epicyklu a ekvantu). Ptolemaios tak dosáhl poměrně dobré shody s astronomickými pozorováními, ovšem za cenu značné složitosti a vyumělkovanosti. Aristotelovo-Ptolemaiovo geocentrické učení bylo pak kanonizováno církví a udrželo se jako dogma po celý středověk; rozvoj astronomie a přírodních věd tím byl zbrzděn po dobu více než tisíce let.
Rozvoj vědecké
astronomie a fyziky
Heliocentrický
systém
První významný průlom do tak dlouho vládnoucí zcestné
koncepce stavby vesmíru učinil M.Koperník (1473-1543), který
si všiml, že pozorované pohyby Slunce a planet se daleko
jednodušeji a přirozeněji vysvětlí předpokladem, že
nehybným středem vesmíru je Slunce, kolem něhož obíhají
planety a Země. Sestavil tak heliocentrický systém a
ukázal, že Země je jen jednou z ostatních planet. Tím dal
základ k odstranění nesmyslného rozporu mezi
"pozemským" a "nebeským" a ke sblížení
astronomie s ostatní přírodovědou, především s fyzikou.
Poznání, že Země (a jak se později ukázalo, ani sluneční
soustava, ani naše Galaxie) nemá žádné privilegované místo
ve vesmíru, se nazývá "Koperníkův princip"
a hraje důležitou roli v současné kosmologii (kap.5,
§5.1"Základní východiska a principy
kosmologie").
Koperník si rovněž uvědomil, že není zřejmě správné předpokládat jen jeden střed tíže ve vesmíru, ale že každé těleso by mělo mít svou vlastní tíži. U Koperníka se tak setkáváme již s náznakem realistického pojetí tíže jako snahy těles a jejich částí spojovat se v celek, tj. s náznakem pojetí všeobecné gravitace. Na Koperníkovu koncepci navázal J.Bruno (nekonečnost světa v prostoru i čase, stejná povaha stálic a Slunce) a zvláště J.Kepler (1571-1630), který na základě astronomických pozorování zformuloval své tři důležité zákony pohybu planet kolem Slunce (§1.2). Kepler tušil, že příčinou těchto pohybů planet je síla vycházející ze Slunce, avšak vzhledem k neznalosti mechaniky nemohl dospět ke správnému vysvětlení; to později podal Newton.
Experiment
- zrod vědecké fyziky a přírodovědy
Rozhodujícím způsobem přispěl k rozvoji astronomie a fyziky
Galileo Galilei (1564-1642), kterého lze považovat za
zakladatele fyziky jako vědecké discipliny. Zavedl totiž do
fyziky experiment jakožto rozhodující nástroj
poznání. Na základě jednoduchých pokusů s pohyby těles
Galilei zformuloval zákon setrvačnosti (který popřel
Aristotelovo učení o pohybu), skládání pohybů a rovněž
dospěl k principu relativnosti pohybu (viz §1.2 a
§1.6). Stal se tak průkopníkem mechaniky pohybu těles,
především kinematiky. V astronomii a kosmologii byl Galilei
rozhodným stoupencem Koperníkova heliocentrického systému,
který svými objevy s použitím dalekohledu rozhodujícím
způsobem podpořil.
Galilei je též
prvním učencem v historii, který přímo a významným
způsobem přispěl k poznání gravitačních jevů. Svými
experimenty s volně padajícími tělesy (údajně z nakloněné
věže v Pise) dospěl totiž k proslulému zákonu
volného pádu, podle něhož při volném pádu
všechna tělesa padají k zemi s konstantním zrychlením,
které je nezávislé na váze (hmotnosti) a složení tělesa.
Vyvrátil tím Aristotelovu koncepci o přirozených pohybech nahoru
nebo dolů: jedná se vždy o pohyby těles pod vlivem tíže,
avšak v prostředí s větší nebo menší hustotou. Zákon
volného pádu, zobecněný na princip univerzálnosti
gravitačního působení a princip
ekvivalence,
se stal jedním z hlavních východisek moderní fyziky gravitace
- Einsteinovy obecné teorie relativity (viz
kap.2, zvláště §2.2 "Univerzálnost - základní
vlastnost a klíč k pochopení podstaty gravitace").
Rozhodujícím mezníkem ve vývoji fyziky, astronomie a přírodní vědy vůbec, byl Isaac Newton (1642-1727). Newton především navázal na Galileiho poznatky a vybudoval mechaniku, v níž přesně zformuloval a matematicky vyjádřil tři základní pohybové zákony (§1.2). Dále objevil základní zákony hydrodynamiky, akustiky a optiky. Svou epochální práci pak Newton završil tím, že sloučil svoji a Galileiho mechaniku pohybu pozemských těles s Keplerovou kinematikou pohybu planet, čímž dospěl ke svému skvělému zákonu všeobecné gravitace a k vytvoření dynamiky sluneční soustavy; k tomu podrobněji v §1.2 "Newtonův gravitační zákon".
Elektrodynamika, atomová fyzika, teorie
relativity, kvantová fyzika
V polovině 18.století byl vývoj mechaniky zdánlivě ukončen.
Fundamentální fyzika se soustřeďovala na zkoumání dalších
fyzikálních jevů - tepelných a hlavně elektrických a magnetických.
Elektřina a
magnetismus
Na tomto místě bude možná užitečné stručně
zrekapitulovat vývoj poznatků o neobyčejně důležitých
přírodních jevech elektrických a magnetických. První
pozorování elektrických (elektrostatických) jevů
pochází již z antického Řecka. U předmětů z jantaru, což je přírodní zkamenělá
pryskyřice z níž se zhotovovaly šperky a ozdobné předměty,
se při tření pozorovalo přitahování
drobných lehkých tělísek - vlasů, pírek, příze (Thales
Milétský v 6. stol. př. n. l. popsal, že jantarový nástroj,
který se používal při předení lnu, začal k sobě
přitahovat různá drobná tělíska, zatímco vlákna lnu se
začala vzájemně odpuzovat). Jantar se řecky
nazývá elektron (elektron), což dalo později souhrnný název všem těmto
jevům (název elektricitas
odvozený od jantaru použil W.Gilbert při studiu statické
elektřiny, přesto že při tření pozoroval přitažlivé
síly i u některých jiných materiálů, především u skla). Po dlouhá staletí tyto jevy sloužily jen jako
zajímavost pro eskamotérské demonstrace, o jejich příčině
a podstatě se nic nevědělo.
Jen se zjistila existence dvou
druhů elektrických nábojů (nazvaných konvenčně kladné
"+" a záporné "-"), přičemž náboje
stejného druhu se odpuzují a opačného druhu přitahují.
Později byl vysloven zákon zachování elektrického náboje
(B.Franklin). Ch.A.Coulomb v r.1784 s pomocí citlivých
torzních vah vlastní konstrukce měřil silové působení
elektrických nábojů a objevil základní zákon elektrostatiky
- Coulombův zákon (1.20b), podobný Newtonovu
gravitačnímu zákonu (porovnání zákonů elektrostatiky a
gravitace je podrobně rozebíráno v §1.4). V r.1789 Galvani
při svých známých pokusech s žabími stehýnky pozoroval
stahování svalů při dotyku o železné zábradlí - nepřímo
pozoroval biologické účinky vybíjení elektrických
nábojů, tj. elektrického proudu (tehdy
se ještě rozlišovalo mezi elektřinou "galvanickou"
a vyrobenou třením).
V r.1799 A.Volta poprve zkonstruoval zdroj "galvanického
proudu" - elektrochemický Voltův
článek;
ukázalo se že tento proud je stejného původu jako
"vybíjecí proud" vznikající nakrátko při vodivém
spojení opačně nabitých vodičů. Elektrochemické zdoje -
Voltovy články sestavované do baterií - umožnily studovat trvalé
procházení elektrického proudu vodiči, sestavovat první elektrické obvody.
Zcela odděleně a nezávisle na jevech
elektrických se pozorovaly další jevy "záhadného"
silového působení - jevy magnetické. Již ve starověku bylo
pozorováno, že některé nerosty se vzájemně přitahují nebo
odpuzují a že přitahují železné předměty. V tomto směru
nejvíce proslula železná ruda těžená u města Magnesie v Malé Asii; tato ruda (je to oxid
železa Fe3O4) byla nazvána magnetovec, což dalo souhrnný název magnetickým
jevům. Při umístění na korkový plovák na vodě, nebo při
zavěšení na nit, se u této magnetické rudy pozorovalo její
natočení vždy stejným směrem - jedním koncem na sever a
druhým na jih. Byly tak vytyčeny dva magnetické
póly -
severní a jižní; magnetické "střelky" našly
důležité uplatnění v kompasech (Číňané
používali takovýto magnet již před 4000 lety k určování
správného zeměpisného směru při cestování).
V Evropě se pokusy s magnety podrobně zabýval kolem r.1600
anglický lékař W.Gilbert. Podobně jako u jevů elektrických,
ani o podstatě magnetických jevů neměl do konce 18.stol.
nikdo ani tušení (fluidová
představa neurčitě hovořila o severních a jižních
"magnetických množstvích", které se však na
rozdíl od elektrických nábojů od sebe nedají oddělit).
První důležitý průlom do podstaty magnetických jevů a
jejich souvislostí s jevy elektrickými začal náhodným
objevem H.Ch.Oersteda v r.1820, který si při pokusech s
elektrickým obvodem všiml, že se
magnetická střelka vychyluje v blízkosti vodiče, kterým
prochází proud - tedy že elektrický proud způsobuje vznik
magnetického pole úplně stejně, jako kdyby místo vodiče s
elektrickým proudem byl přiložen permanentní magnet. Ukázalo
se postupně, že záhadné magnetické působení, které bylo
do té doby doménou jen přírodních látek, permanentních
magnetů, má patrně elektrický původ -
vzniká pohybem elektrických nábojů.
To zanedlouho ještě určitěji ukázaly experimenty A.Ampéra
(1775-1889), který objevil zákon vzájemného silového
(magnetického) působení elektrických proudů. Biot a Savart v
r.1820 měřili intenzitu magnetického pole v okolí vodiče
protékaného el. proudem, tyto výsledky pak dále zobecnil
Laplace - vznikl Biot-Savart-Laplaceův
zákon
(1.33a) udávající závislost intenzity magnetického pole
buzeného proudem v elementu vodiče na velikosti proudu a
vzdálenosti.
Dalším klíčovým poznatkem byl zákon
elektromagnetické indukce objevený v r.1831 M.Faradayem, podle
nějž časová změna magnetického pole vyvolává (indukuje)
elektrické pole, přičemž indukované napětí je úměrné
rychlosti časové změny magnetického toku plochou uvažované
smyčky vodiče - vztah (1.37a). Tyto poznatky se staly nejen
základem elektrodynamiky (sloučení nauky o elektřině
a magnetismu), ale i praktického použití elektromagnetických
jevů - vznikla elektrotechnika.
Faraday dále na základě svých pokusů vyslovil myšlenku, že
elektrické a magnetické silové působení neprobíhá
bezprostředně od jednoho náboje k druhému, ale šíří se prostředím ležícím mezi
nimi. Položil tím základy učení o elektromagnetickém
poli, které dále rozpracoval, zobecnil a matematicky zformuloval
J.C.Maxwell (1831-1879) v šedesátých letech minulého
století. Teorie elektromagnetického pole přivedla Maxwella k
poznatku o konečné rychlosti šíření elektromagnetického
působení rovné rychlosti světla *), k předpovědi elektromagnetických vln a k hypothéze o
elektromagnetické povaze světla. Experimenty H.Hertze a jeho
následovníků, které prokázaly existenci elektromagnetických
vln a zjistily některé jejich vlastnosti, plně potvrdily
správnost Maxwellovy teorie. Teorie
elektromagnetického pole je z fyzikálně-matematického
hlediska rozebírána v §1.5 "Elektromagnetické
pole. Maxwellovy rovnice".
*) Rychlost světla je ve
srovnání se všemi ostatními pozemskými rychlostmi
neobyčejně velká (miliónkrát větší než
rychlost zvuku ve vzduchu), takže v dřívějších dobách ji
nebylo snadné přesněji změřit (byla často považována za
nekonečnou). První přibližné stanovení bylo provedeno
astronomicky v r.1675 při pozorování zatmění Jupiterových
měsíčků, avšak reálné změření rychlosti světla s
použitím pozemských zdrojů a opticko-mechanických
prostředků provedl Fizeau až v r.1849. Při tomto klasickém
experimentu se paprsek světla při odrazu od zrcadel nechal
procházel tam a zpět přes zuby rotujícího ozubeného kola.
Při zvyšování otáček ozubeného kola bylo pozorováno, že
při určité frekvenci otáček odražený paprsek ozubeným
kolem již neprošel - paprsek, který projde mezerou mezi zuby
kola, se po překonání vzdálenosti k zrcadlu, odrazu a
překonání vzdálenosti zpět, vrátí do prostoru ozubeného
kola až tehdy, když se kolo otočí o takový úhel, že místo
mezery je v dráze paprsku již zub. Je-li vzdálenost mezi
ozubeným kolem a odrážejícím zrcadlem d a ozubené
kolo rotující frekvencí f má po obvodu N zubů,
platí mezi rychlostí světla c a první frekvencí f,
kdy odražený paprsek přestane procházet, jednoduchý vztah c
= 4.d.f.N (koeficient 4 vzniká z toho, že vzdálenost d
je překonávána dvakrát a doba otočení kola z mezery na zub
je 1/2.f.N).
V dalších experimentech bylo měření rychlosti světla
postupně zpřesňováno, nynější hodnota činí 299 792,458
km/sekundu pro vakuum. V látkových optických prostředích je
rychlost světla o něco nižší a poněkud závisí na vlnové
délce světla (tzv. disperze). Např. ve vodě rychlost světla
pro červené světlo činí (zaokrouhleně) 226000km/s, pro
fialové 223000km/s.
Rychlost světla nezávisí na rychlosti pohybu zdroje. Měření
Michelsona a Morleye v r.1881 až 1904 (měřili rychlost
světla ve směru a proti směru pohybu Země) dokonce ukázala,
že rychlost světla ve vakuu nezávisí na pohybovém stavu
zdroje ani pozorovatele - je stejná ve všech inerciálních
soustavách, ať se pohybují vzájemně jakoukoli rychlostí. Tato skutečnost, vyjádřená v principu
konstantní rychlosti světla, se stala základem speciální
teorie relativity a tím i celé relativistické
fyziky.
Klasická Faradayova, Ampérova a Maxwellova elektrodynamika je teorií makroskopickou a fenomenologickou - výborně popisuje vlastnosti elektrických a magnetických polí ve vakuu i v látkových prostředích, jejich časové změny a vzájemné přeměny. Nepřihlíží však k detailům struktury hmoty, k povaze vlastních a základních "nositelů" elektrických a magnetických sil. První "mikroskopickou" teorii elektromagnetismu vypracoval v r.1895 H.A.Lorentz, avšak plné pochopení vztahů mezi elektromagnetismem a stavbou hmoty umožnil až rozvoj atomové a jaderné fyziky - viz níže.
Velkým stimulem pro
rozvoj fyziky v průběhu 19.století byly technické problémy
vznikající při průmyslové revoluci. Vznikaly tak zásadní
objevy, které daly fyzice charakter ucelené
vědy.
Některé metodologické otázky stavby fyziky a jejího
začlenění do ostatní přírodovědy, i do kontextu
vědeckého poznání vůbec, jsou diskutovány v §1.0 "Fyzika
- fundamentální přírodní věda" monografie "Jaderná
fyzika a fyzika ionizujícího záření".
Mikrostruktura hmoty -
atomová fyzika
Výzkum elektrických jevů otevřel na přelomu 19. a
20.století dveře i k pochopení jedné z nejzákladnějších
nevyřešených otázek - stavby a složení hmoty.
A zase naopak, odhalení základních stavebních částic hmoty
umožnilo lépe pochopit povahu a původ elektrických sil.
Když koncem 19.stol chemikové (především J.Dalton) znovu
oživili představu atomů, o povaze a stavbě
samotných atomů se prakticky nic nevědělo. Faradayovy pokusy
s elektrolýzou v r.1836 naznačovaly, že chemické slučování
má hodně společného s jevy elektrickými. V r.1895
J.J.Thomson při pokusech s výboji v plynech objevil
elementární částici nesoucí záporný náboj - elektron
a navrhl první představu atomu ("pudinkový model").
E.Rutheford spolu s Geigerem a Marsdenem provedli v r.1911
důležitý experiment s rozptylem částic a,
který vedl k objevu atomového jádra a dal
vznik planetárnímu modelu atomu. V r.1913
N.Bohr doplnil planetární model o tři kvantové postuláty;
takto vzniklý Bohrův model atomu je s
určitými modifikacemi používán dosud.
Atomová a jaderná fyzika ukázala, že původ
elektrických a magnetických sil tkví v základních
elementárních částicích tvořících hmotu - v elektronech
a protonech, které jsou nositeli záporných a
kladných elektrických nábojů. Vysvětluje i všechny
elektrické a magnetické vlastnosti látek, m.j. i příčinu
magnetických vlastností permanentních magnetů. Atomová
fyzika dále vysvětluje mechanické a optické vlastnosti látek
a především chemické slučování -
podstatou chemického slučování jsou elektrické
přitažlivé síly mezi atomy, které si při
dostatečném vzájemném přiblížení sdílejí část
obalových elektronů ve valenční slupce.
O stavbě atomů a atomových jader je
podrobněji pojednáno §1.1 "Atomy a atomová jádra" monografie "Jaderná
fyzika a fyzika ionizujícího záření". Pro objasnění vlastností atomů a atomových
jader sehrály rozhodující úlohu výzkumy v oblasti radioaktivity
(objevené v r.1896 H.Becguerelem) a ionizujícího
záření - viz §1.2 "Radioaktivita" a §1.6 "Ionizující
záření" v tomtéž
pojednání.
Živá
příroda - biologie
Souběžně s fyzikou, astronomií, chemií a ostatními vědami
o neživé přírodě, docházelo od 18.stol. k významným
objevům i v biologii - vědě zkoumající živé
organismy. Dřívější popisné zkoumání vnějších
projevů a často náhodných podobností, bylo vystřídáno
systematickým zkoumáním stavby, vývoje, metabolismu,
druhového členění a vzájemných vztahů živých organismů.
Základem biologie se stala nauka o stavbě a činnosti buňky
jakožto základního stavebního kamene organismů. Biologické
děje v buňkách i v celém organismu jsou založeny na chemických
reakcích především složitých organických
sloučenin uhlíku, vodíku, kyslíku, dusíku, síry, fosforu a
dalších prvků. Byla rozpoznána struktura buněčného jádra
a úloha deoxiribonukleové kyseliny (DNA) jako nositele
informace v buňkách, vypracovány jsou i základní rysy
evoluční teorie. Procesy v živých organismech jsou natolik
složité, že toho zatím zůstává mnoho neznámého. Přesto
však aplikace fyzikálních a chemických poznatků na
molekulární a atomární úrovni umožňuje v biologii
postupně chápat čím dál složitější podrobnosti a
souvislosti a začleňuje tuto vědu plně do kontextu ostatní
přírodovědy.
Teorie relativity,
kvantová fyzika
Fyzika 17. a 18.století se snažila všechny jevy vysvětlovat
pomocí mechanických modelů - pohybů ať již atomů a molekul
(kinetická teorie tepla, hydrodynamika, termodynamika) nebo
pružného "éteru" *) - nositele
elektromagnetických jevů. Na konci 19.století se zdálo, že
téměř všechno ve fyzice je v zásadě rozřešeno; zbýval
jen problém éteru, nejasnosti kolem spektra záření
"absolutně černého" zahřátého tělesa (vedoucí k
tzv. "ultrafialovému paradoxu") a některých
vlastností fotoelektrického jevu. Snahy o rozřešení
problému záření absolutně černého tělesa, spolu s
výzkumy v atomistice, vedly k vytvoření kvantové
fyziky - viz např. pasáž "Korpuskulárně-
vlnový dualismus" v
§1.1 "Atomy a atomová jádra" monografie "Jaderná
fyzika a fyzika ionizujícího záření". Problematika éteru se stala odrazovým můstkem k
vytvoření teorie relativity.
*) Problematika éteru je
stručně diskutována na konci §1.5 "Elektromagnetické
pole. Maxwellovy rovnice".
Jak se hromadily
podrobnější experimentální poznatky, narážely
mechanistické modely a představy klasické fyziky vůbec, na
stále větší obtíže. Projevovalo se to zvláště při
zkoumání mikrosvěta, které začalo koncem
19.století. Při pozorování pohybu rychlých elektronů v
elektrických a magnetických polích (kterým se zabýval
zvláště Lorentz) se zjistilo, že klasická Newtonovská
mechanika zde již není v souladu s experimentem. Byly
vyslovovány různé částečné hypothézy, až nakonec novou a
obecnější mechaniku, dobře popisující i velmi rychlé pohyby částic, vybudoval A.Einstein v
rámci své speciální teorie
relativity.
Speciální teorie relativity (§1.6 "Čtyřrozměrný
prostoročas a speciální teorie relativity") je
spolu s kvantovou mechanikou nejdůležitější a
nejvšestrannější mezioborovou teorií
dnešní fyziky; je též "odrazovým můstkem" obecné
teorie relativity jakožto fyziky gravitace a prostoročasu.
Zkoumání
zákonitostí mikrosvěta nesmírně obohatilo a prohloubilo
poznatky o struktuře hmoty. Pro objasnění vlastností prostoru
a času, stejně jako pro pochopení podstaty gravitace, však
fyzika mikrosvěta přinesla zatím velmi málo. Je však
naděje, že se to v budoucnu změní. Kvantová teorie gravitace
a zvláště unitární teorie pole po svém úspěšném završení
patrně spojí kvantovou fyziku,
elektrodynamiku, jadernou a částicovou fyziku s gravitací, s
teorií prostoru a času (kap. B "Unitární
teorie pole a kvantová gravitace").
Široké spektrum velikostí objektů našeho světa, zkoumaných
různými obory fyziky a přírodovědy pomocí různých
nástrojů
Elektromagnetické
záření - základní zdroj informací o vesmíru
Prakticky veškeré informace o tělesech a procesech ve vesmíru
získáváme prostřednictvím elektromagnetického
záření.
Původně to bylo viditelné světlo, nyní k tomu přistupují i
elektromagnetické vlny jiných délek - radiovlny,
infračervené, ultrafialové, X i gama záření *).
*) Je dobré si uvědomit. že viditelné světlo z hvězd a dalších
objektů ve vesmíru je několikrát přeměněné
záření
pocházející původně z nukleárních a subnukleárních
procesů o mnohem vyšších energiích, odpovídajících
primárně záření g.
V poslední době se perspektivním jeví i
"pozorování" vesmíru pomocí jiných druhů
záření - neutrin (viz "Neutrina"), protonů a dalších částic v
kosmickém záření (viz "Kosmické záření"), gravitačních vln
(§2.7 "Gravitační vlny").
Elektromagnetické záření přináší z vesmíru informace
dvojího druhu, podle způsobů jeho detekce a analýzy:
¨
Optické
zobrazení
Vizuálním pozorováním a optickým zobrazením můžeme
získat informace o poloze jednotlivých objektů (s daným
rozlišením), jejich relativní intenzitě (jasnosti) a příp. některých
detailech jejich struktury. Na základě změny polohy v
čase můžeme sledovat pohyby těles a stanovovat jejich rychlosti. Toto je však možné pouze u
nejbližších vesmírných těles - planet ve Sluneční
soustavě. Hvězdy, mlhoviny, galaxie a další útvary jsou
natolik vzdálené, že přímé pozorování změny jejich poloh
v čase a jejich rychlostí není možné.
¨
Spektrální
analýza
Elektromagnetické vlnění v sobě nese nejen optické informace
o poloze a "síle" zdrojů záření. Neméně
důležité informace jsou "zakódovány" ve vlnové
délce či frekvenci elektromagnetického vlnění - v jeho spektru*).
*) Spektrální analýza
viditelného světla se provádí jeho rozložením v optickém
hranolu (disperze světla - různý index lomu pro
různé vlnové délky, tj. barvy) nebo optické
mřížce (ohyb a interference světelných vln podle
různé vlnové délky). V obou případech se získá spektrum
- grafický obraz, kde na vodorovné ose je vlnová délka, na
svislé ose nebo jasové škále je intenzita světla
jednotlivých vlnových délek. Spektrální analýza záření
jiných vlnových délek než světlo se provádí pomocí
příslušných metod detekce a elektronického zpracování
měřeného signálu (u vysokoenergetického záření viz "Detekce a spektrometrie
ionizujícího záření").
Chemická spektrometrie
Každý atom daného prvku a molekula
konkrétní sloučeniny má zcela určité, pevné a
charakteristické energetické
hladiny
elektronů, při jejichž excitaci (vybuzení) je absorbováno
elektromagnetické záření určité vlnové délky l (resp. foton odpovídající energie h.c/l) a při jejichž deexcitaci je záření této určité
vlnové délky zase vysíláno (viz "Záření
atomů"). Analýzou spektrálních čar
"světlých" (emisní spektrum) a "tmavých"
(absorbční spektrum) lze získat spolehlivou informaci o
atomech prvků či molekulách sloučenin, které toto záření
vysílají, nebo které je při průchodu naopak absorbují - lze
provádět chemickou analýzu látek ve vzdáleném vesmíru.
Dopplerovská spektrometrie
Jelikož energie (vlnové délky)
spektrálních čar jsou pevné a přesně známé, vedle
zjišťování prvků a sloučenin umožňuje spektrometrie i analýzu pohybu - měření rychlostí hvězd, galaxií a
jejich částí. Jsou-li totiž čáry, resp. série čar, ve
spektru systematicky posunuty k červenému nebo fialovému
konci spektra, znamená to, že zde působí Dopplerův jev *) změny vlnových délek pohybem zdroje
vzhledem k pozorovateli. Jestliže se zdroj pohybuje směrem od
pozorovatele, vlnová délka se prodlužuje (červený posuv),
při pohybu zdroje směrem k pozorovateli se vlnová délka
zkracuje (posunuje směrem k fialovému konci spektra).
Složitější situace je v obecné
teorii relativity za přítomnosti gravitace a zakřiveného
prostoročasu. Zde se může jednat i o gravitační
rudý posuv (viz §2.4). V kosmologii se pak setkáváme
s Hubbleovým rudým posuvem velmi vzdálených
objektů (§5.1), který je důsledkem expanze samotného
prostoru (viz diskusi v §5.4, pasáž
"Co se rozpíná a nerozpíná při expanzi
vesmíru?"). Z
observačního hlediska jsou však obě interpretace
spektrálního posunu v zásadě ekvivalentní.
*) Dopplerův jev je
kinematický efekt vznikající při vzájemném pohybu zdroje
vlnění a pozorovatele (detektoru vlnění). Platí obecně pro
všechny druhy vlnění. Pohybuje-li se zdroj vlnění určité
konstantní frekvence fo směrem k pozorovateli (přijímači), registruje tento
pozorovatel vyšší frekvenci f, než jakou zdroj ve
skutečnosti vydává. Naopak při vzdalování zdroje od
pozorovatele je registrována frekvence nižší než skutečná.
Relativní rozdíl skutečné fo a pozorované f frekvence (Dopplerovský
frekvenční posun) roste úměrně s rychlostí pohybu V
zdroje vůči pozorovateli: f = [1 + (V/v)].fo, kde v je
rychlost šíření daného vlnění; Df/fo = (f-fo)/f = V/v. Analogicky platí i pro vlnovou délku l=v/f. Změřením rozdílu
frekvencí či vlnových délek primárního
vysílaného vlnění a přijímaného vlnění tak můžeme
stanovit vzájemnou rychlost pohybu zdroje a
pozorovatele. Pro elektromagnetické vlnění je samozřejmě
v=c. A skutečnou (primární) frekvenci či vlnovou délku
vyzařovaných spektrálních čar přesně známe z
laboratorních měření.
Pozn.: Tato zákonitost platí i tehdy,
když zdrojem přijímaného vlnění je odraz
vlnění od určitého pohybujícího se objektu (včetně
proudícího plynu nebo kapaliny). Využívá se v radarové
technice a v utrazvukové sonografii.
Přesnou spektrometrickou analýzou lze
měřit nejen rychlosti translačních pohybů, ale i rotace,
pulzace či turbulence plynů ve hvězdách a galaxiích; tyto
děje se projevují příslušným rozšířením či zdvojením
spektrálních čar.
Astronomické
teleskopy - "stroje času"
Vesmír je pro většinu záření dobře průzračný
(aspoň v nynější etapě), takže o vzdáleném vesmíru
postupně získáváme mnoho informací (paradoxně o něm toho
víme více než o nitru naší Země). Díky známé konstantní
rychlosti světla můžeme astronomické teleskopy považovat
zároveň za jakési "stroje času"
(ve smyslu Arbesova "Newtonova mozku"), kterými
můžeme pozorovat děje ve vesmíru i před mnoha miliardami let
(o možnostech "cestování v čase" viz odkaz "Cesty časem: fantazie
nebo fyzikální realita?").
Prostor
a čas
Spolu s rozvojem poznání konkrétních zákonitostí přírody
se vyvíjely i nejzákladnější fyzikální pojmy - prostor a čas. Všichni v prostoru a čase
žijeme, takže máme určitou intuitivní představu co prostor
a čas jsou. Avšak obecnou a přesnou definici prostoru a času
nemáme, protože nám chybí nějaký "vyšší"
nadřazený a obecnější pojem, pomocí něhož bychom ji mohli
vyjádřit.
Otázky o podstatě prostoru, času i
hmoty se pokoušeli řešit pomocí filosofických spekulací
již antičtí řečtí myslitelé.
Aristoteles ve své "Metafyzice" vyslovil názor, že hmota existovala v
nekonečném prostoru stále (od nekonečné minulosti),
přičemž "Bůh" (první hybatel) pouze do jejího
chaotického stavu vložil pohyb a plánovitý řád - přírodní
zákony. Později převládla víra ve stvoření světa a ve
filosofii se diskutovala otázka, zda prostor a čas existoval
již před aktem stvoření, nebo byl stvořen spolu s hmotou.
Někteří filosofové zastávali názor, že bez hmoty nemohl
prostor ani čas existovat (např. Aurelius Augustinius
(354-430n.l.)). Jiní argumentovali tím, že "existence
hmoty vůbec není nutná pro existenci prostoru a času,
podobně jako existence Slunce není nutná pro existenci času,
i když jeho pohybem čas obvykle měříme" (J.Locke,
r.1690).
Antickým řekům se
zdálo samozřejmé, že existuje stav absolutního klidu,
kterého nabývá každé těleso, jež nepodléhá účinku
vnějších sil. To vedlo ke koncepci "absolutního
prostoru",
v němž je možno stanovit, zda v různých časových
okamžicich probíhají události v tomtéž místě (bodu)
prostoru, a k představě "absolutního
času".
Galilei a Newton principem relativity a zákonem setrvačnosti
sice koncepci absolutního prostoru částečně zbavili
fyzikální půdy pod nohama, protože neexistuje způsob,
pomocí něhož je možno absolutní klid nebo pohyb
mechanicky změřit *).
*) Přesto však i Newton
uznával absolutní prostor, jak je vidět z jeho spisu
"Philosophiae naturalis principia mathematica" z
r.1678, v němž píše: "Absolutní prostor svou povahou a
bez vztahu k čemukoli vnějšímu zůstává vždy stejný a
nepohyblivý".
Plně zachována však zůstala koncepce
absolutního času, neboli možnost absolutně určit současnost
událostí i tehdy, když tyto události probíhají v různých
místech prostoru. Absolutní čas vystupoval v Newtonových
zákonech mechaniky, tekl stejně pro libovolně pohybující
se tělesa a jeho hodnota mohla být určena absolutně od
"okamžiku stvoření světa". "Absolutní neboli matematický čas plyne
rovnoměrně sám od sebe, bez jakéhokoliv vztahu k čemukoli
vnějšímu" psal Newton ve svých "Principiích". Absolutní čas tedy ubíhá stejně
rychle všude v celém vesmíru a nezávisle na věcech a
událostech - celý vesmír by tedy měl jediný shodný
"kosmický" čas. Tento univerzální absolutní čas,
kterému vše podléhá, nelze nijak ovlivnit, ani zrychlit nebo
zpomalit. Vznik, proměny i zánik všech věcí (včetně
živých tvorů), všechny jevy a události, jsou součástí
tohoto plynulého proudu "kosmického času"*). Tato
představa přetrvávala od antiky, přes středověk až do
začátku 20.století.
*) Čas bývá často
srovnáván s jednosměrným tokem řeky, kde pohyb zpět není
možný.
Prostor a čas používaný v klasické mechanice má následující čtyři základní vlastnosti:
Newtonovská představa o struktuře prostoru a času plně odpovídala zkušenosti a nijak se o ní nepochybovalo až do konce 19.století. Tehdy z Faradayovy-Maxwellovy elektrodynamiky vyplynulo, že elektromagnetické vlny se šíří rychlostí c = 300000 km/s; hned se však vynořila otázka: vzhledem k čemu? Zavedení éteru jako prostředí v němž se šíří elektromagnetické vlny, zde vlastně nahrazovalo absolutní prostor (viz též poznámku o éteru na konci §1.5). Proslulé interferenční pokusy Michelsona a Morleye konané v letech 1881-1887 ukázaly, že žádný éter neexistuje a že světlo se šíří stálou rychlostí nezávisle na pohybovém stavu zdroje nebo pozorovatele, v rozporu s nejzákladnějšími mechanickými představami. Nesrovnalosti mezi představami klasické mechaniky a elektrodynamiky vyřešil A.Einstein (1879-1955) svou speciální teorií relativity (STR), v níž prostor a čas již nejsou absolutní, ale jsou součástí obecnějšího prostoročasu - §1.6 "Čtyřrozměrný prostoročas a speciální teorie relativity".
Pro pochopení vztahu mezi prostorem a časem na jedné straně a hmotou na straně druhé, však STR přinesla velmi málo. Prostoročas zůstával nadále jakýmsi "jevištěm" na němž probíhá pohyb hmoty, avšak jeho vlastnosti nejsou chováním hmoty nijak ovlivňovány. Vlastnosti a), c) a d) zůstaly ve speciální teorii relativity zachovány. Ve své obecné teorii relativity dokončené v r.1916 Einstein reviduje všechny základní vlastnosti prostoru a času (viz kap.2 "Obecná teorie relativity - fyzika gravitace"): prostoročas nejen že nemusí být Eukleidovský ani nekonečný (je Riemannovský a může být uzavřený), ale jeho geometrické vlastnosti jsou přímo určeny rozložením a pohybem hmoty. V různých místech prostoru může být jiný běh času, geometrie prostoru se může měnit s časem. Obecná teorie relativity zároveň znamenala zásadní obrat v názorech na podstatu gravitace - gravitace se stává projevem zakřivenosti prostoročasu. Při koncipování obecné teorie relativity měly na Einsteina značný (převážně pozitivní) vliv Machovy názory o kosmickém původu setrvačných sil (viz Dodatek A).
Hluboká revize pojmů prostoru a času provedená v Einsteinově speciální a obecné teorii relativity pramenila z pečlivé analýzy procesu měření ve fyzice. Definice pojmů prostoru a času a jejich vlastnosti musejí plynout z poznatků získaných fyzikálními měřeními. Připisují-li se prostoru a času vlastnosti, které neplynou nevyhnutelně z fyzikálních měření, snadno se ocitáme na zcestí metafyziky. Matematická teorie, která si chce činit nároky na fyzikální obsah, musí být založena na takových výchozích pojmech, které odrážejí přírodní realitu. Na pojmy "prostor", "čas", "hmota" si dlouhou dobu činila výlučné nároky filosofie (někdy se s tím setkáváme i dnes). Historie vědeckého poznávání však ukazuje, že filosofie sice dovede klást důležité fundamentální otázky, avšak není schopna je spolehlivě a s konečnou platností zodpovědět. Pomocí různých filosofických spekulací lze dospět i ke zcela protichůdným závěrům a thézím. Realistickou odpověď na základní filosofické otázky jako je podstata prostoru, času a hmoty, a snad i na problémy vztahu bytí a vědomí nebo hmoty a "ducha", mohou pomoci najít jen fundamentální přírodní vědy (především fyzika), které dialekticky slučují spekulativní a experimentální poznávací metody, teorii a praxi. A k tomu poznání výrazně přispělo (a přispívá) i zkoumání gravitace.
Dvojí
pojetí prostoru a času
Když to shrneme, z obecně přírodovědeckého a
filosoficky-gnoseologického hlediska lze kategorie prostoru a
času pojímat dvojím způsobem:
S prohlubováním a
zpřesňováním přírodovědeckých poznatků a s jejich
extenzí do mikrosvěta a megasvěta se koncepce absolutního
prostoru a času dostávala do rozporu s výsledky pozorování a
experimentů. Naopak operacionalistické pojetí relativního
prostoru a času umožnilo pochopit a matematicky popsat i
takové jevy, které by naší klasickou zkušeností byly
nepochopitelné. V §4.3-4.9 a §5.2-5.7 uvidíme, že zvláště
v extrémních situacích kolem černých děr či počátcích
vesmíru, kde všechny nám obvyklé představy a metody
měření prostoru a času selhávají, operacionalistický
přístup umožňuje použít nové a nezvyklé metody měření
prostoru a času, přiměřené daným podmínkám; je to patrně
jediná možnost, jak tyto exotické jevy reflektovat.
V dynamicky se vyvíjejícím a stále se
proměňujícím vesmíru jedině "tvárný" prostor a
čas, jehož vlastnosti se odvíjejí od probíhajících dějů,
může adekvátně vystihnout strukturu a evoluci vesmíru v
globálním měřítku i v měřítcích lokálně
probíhajících procesů.
Začátek
a konec času?
Abstraktní, matematický či absolutní čas má věčné nekonečné trvání od -Ą do
+Ą. Při fyzikálním, operacionalistickém
pojetí však má čas konečné
trvání. V
§5.4 "Standardní kosmologický model. Velký třesk" uvidíme, že počátek
vesmíru ve velkém třesku je zároveň i počátkem času. A v §5.6 "Budoucnost
vesmíru. Šipka času" bude ukázáno, že budoucí
evoluce vesmíru povede k faktickému konci
času -
buď ve velkém krachu, nebo v tepelné
smrti vesmíru...
Vedle tohoto "globálního" konce času existují v
obecné teorii relativity i situace, kdy nastává
"lokální" konec času - jen pro určité pozorovatele
či světočáry. V §3.4
"Schwarzschildova geometrie" a v §4.9 bude ukázáno, že pozorovatel,
který projde horizontem událostí černí díry, za konečný interval svého vlastního času dospěje do
singularity, která představuje jakýsi "lokální konec času".
Kvantové
"atomy" prostoru a času?
Obecně je prostor a čas považován za spojité
kontinuum.
V §B.4 "Kvantová geometrodynamika" bude však ukázáno, že
kvantový přístup ke gravitaci a prostoročasu vede k
představě kvantových fluktuací
prostoročasu. Efektivně tak vznikají nejmenší,
elementární, prostorové buňky o rozměru Planckovy délky ~10-33cm a nejmenší smysluplné
časové intervaly o trvání Planckova
času ~10-43sec. Z kvantového hlediska je tedy
klasická představa plynulého toku času nahrazena představou
skákajících diskrétních mini-intervalů, tak trochu
připomínající přesypávání zrníček písku v
přesýpacích hodinách.
Žijeme v
zakřiveném prostoročase vyvíjejícího se vesmíru
Vytvořením obecné teorie relativity (OTR) a experimentálním
potvrzením jejích základních předpovědí (především
odklonu světelných paprsků v gravitačním poli Slunce
změřeného v r.1919 expedicí sledující zatmění Slunce)
byli lidé postaveni před skutečnost, že žijí
v zakřiveném prostoročase. Praktický význam obecné teorie
relativity však ještě dlouho po jejím vytvoření nebyl doceňován,
protože se myslelo, že gravitační pole v přírodě nikdy
nemohou být tak silná, aby se výrazněji projevovaly
specifické relativistické efekty a odchylky od Newtonovské
teorie. Daleko větší zájem budila kvantová fyzika, která
slavila bezprostřední úspěchy při objasňování
zákonitostí mikrosvěta a struktury hmoty.
První úspěch obecné teorie relativity se dostavil ve 20.letech v kosmologii (kap.5 "Relativistická kosmologie"). A.Fridman zjistil, že Einsteinovy gravitační rovnice umožňují řešení popisující prostorově homogenní a uzavřený vesmír, který se s časem rozšiřuje, což plně souhlasilo s objevem E.Hubbla, že vlnová délka světla od vzdálených galaxií je systematicky posunuta k červené barvě tím více, čím je galaxie vzdálenější.
První náznak toho, že ve vesmíru mohou existovat kompaktní tělesa se silnými gravitačními poli, se objevil ve 30.letech. Tehdy Chandrasekhar a Landau ukázali s použitím Newtonovy teorie gravitace, že pro hvězdy musí existovat určitá maximální hmotnost, má-li být na konci jejich vývoje dosaženo nějakého rovnovážného stavu. Oppenheimer a Snyder pak zakrátko (v r.1939) použili dříve nalezeného Schwarzschildova přesného řešení Einsteinových rovnic a dospěli k závěru, že dostatečně hmotný objekt bude pod vlivem vlastní gravitace neomezeně kolabovat. Tyto vývody však ve své době nevzbudily širší zájem.
Mocným stimulem k rozvoji obecné teorie relativity a zájmu o ni se staly na přelomu 50. a 60.let významné astronomické objevy. Především to byl objev pulsarů (viz §4.2 "Konečné fáze hvězdné evoluce. Gravitační kolaps") a hlavně kvasarů (viz §4.8 "Astrofyzikální význam černých děr"), u nichž se daly předpokládat velké koncentrace hmoty a silná gravitační pole. Dále, Fridmanovské kosmologické modely byly rozhodujícím způsobem podpořeny objevem mikrovlnného záření tepelného spektra odpovídajícího teplotě 2,7°K, které bylo interpretováno jako pozůstatek po velmi horké a husté fázi vývoje vesmíru - reliktní záření. V této době byla již rovněž poměrně dobře rozpracována astrofyzika evoluce hvězd, která ukázala, že v závěrečné fázi svého vývoje mohou hvězdy prodělat gravitační kolaps, který pro dostatečně hmotné hvězdy může být plně relativistický. Měly by tak vznikat neobyčejně podivuhodné kompaktní objekty nazvané kolapsary nebo černé díry. V 60. a 70. letech se tak vyvinula významná disciplina obecné teorie relativity a relativistické astrofyziky - fyzika černých děr (kapitola 4 "Černé díry").
Rozvoj elektroniky, měřící a experimentální techniky umožnil znovu a na podstatně přesnější úrovni navázat kontakt obecné teorie relativity s experimenty a astronomickými pozorováními. V r.1960 Pound a Rebka pomocí Mösbauerova jevu přesně prokázali gravitační rudý posuv (viz §2.4 "Fyzikální zákony v zakřiveném prostoročase", pasáž "Gravitační frekvenční posun"). Provádějí nebo se plánují přesná měření subtilních relativistických efektů na pohybu planet i umělých družic ve sluneční soustavě. S pomocí citlivých experimentálních a elektronických metod byl znovu a s vysokou přesností opakován Ëtvösův pokus, prokazující ekvivalenci setrvačné a tíhové hmotnosti. Další zajímavou oblastí gravitační fyziky je studium vlastností gravitačních vln a pokusy o jejich experimentální potvrzení (§2.7 "Gravitační vlny"). Na řadě míst této knihy jsou příslušné teoretické koncepce a poznatky doplněny stručným popisem jejich příp. experimentálního ověření. Systematický přehled experimentů v oblasti teorie relativity a gravitace je v §2.10 "Experimentální ověřování teorie relativity a gravitace", kde jsou odkazy na příslušné pasáže v jednotlivých kapitolách, v nichž jsou dané experimenty rozebírány.
Cesta poznávání gravitace je neobyčejně zajímavá. Ukazuje se být klíčem k pochopení vlastností prostoru, času, hmoty a jejího pohybu, klíčem k tajemství stavby vesmíru.
| Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu : | ||
| Gravitace ve fyzice | Obecná teorie relativity | Geometrie a topologie |
| Černé díry | Relativistická kosmologie | Unitární teorie pole |
| Antropický princip aneb kosmický Bůh | ||
| Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření | ||
| AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie | ||
