1. Jaderná a radiační fyzika
1.0. Fyzika - fundamentální přírodní věda
1.1. Atomy a atomová jádra
1.2. Radioaktivita
1.3. Jaderné reakce
1.4. Radionuklidy
1.5. Elementární částice
1.6. Ionizující záření

1.0. Fyzika - fundamentální přírodní věda

V této úvodní kapitole se pokusíme nastínit některé metodologické aspekty stavby fyziky a jejího začlenění do kontextu ostatní přírodovědy a vědeckého poznání vůbec. Tyto metodologické poznámky mohou být zajímavé např. pro studenty a zájemce nefyzikálních profesí, kteří si chtějí udělat ucelený obraz o fyzikálních aspektech zkoumání přírody.

Příroda a její členění
Nebudeme zde explicitně definovat pojem příroda, o němž má každý víceméně jasnou intuitivní představu. Budeme se přidržovat univerzalistické koncepce, že příroda je úplně všechno, co jest, co má objektivní existenci. Konec konců, i některé "duševní" pochody a představy, pokud lze (aspoň v principu) identifikovat a lokalizovat jejich "zakódování" v neuronové síti mozku, lze zahrnout do souhrnného pojmu "příroda".
  V základech veškerého vědeckého zkoumání leží proces kategorizace. Skutečnost, která je ve své komplexnosti příliš složitá a různorodá, si rozdělujeme podle určitých kritérií na jednodušší skupiny - kategorie, které zkoumáme zvlášť. Výsledky zkoumání jednotlivých kategorií pak můžeme zobecňovat a příp. syntetizovat - shrnout je do obecnějšího rámce, zahrnujícího širší skupinu jevů - celek. Analytický a syntetický přístup, ve své dialektické jednotě, tvoří obecnou metodu vědeckého poznávání skutečnosti.

Vědění: věda + zkušenost
Vědění každého (vzdělaného) člověka vychází ze dvou složek:
¨ Věda, poskytující objektivní, univerzální a reprodukovatelné poznatky. Tyto sdělené poznatky však nemusí být vždy správně pochopeny a interpretovány.
¨ Zkušenost, která může být sice subjektivní a někdy i mylná, avšak pokud odráží realitu, může poskytnout ostřejší a konkrétnější vhled do skutečnosti.
  Jednota těchto dvou složek vytváří zdravý a jasný lidský rozum, umožňující správně se orientovat v dění našeho světa pomocí kritického myšlení. Složitější situace je u jevů nepřístupných našemu smyslovému poznání - jevy v mikrosvětě či velmi vzdáleném vesmíru, kde se musíme spolehnout na zkoumání pomocí přístrojových metod (zkumavky, urychlovače, detektory, dalekohledy atd.) a naučit se analyzovat, reflektovat a aplikovat takto zjištěná fakta. Heroickým úsilím badatelů se podařilo pomocí těchto metod získat dalekosáhlé, dříve netušené, poznatky o vnitřní stavbě hmoty i o struktuře a evoluci vesmíru.

Informovanost - vzdělání - moudrost
Nynější svět je plný informací. Vědomosti na úrovni informací však nemusejí ještě znamenat vzdělanost a moudrost. Znalost sama o sobě je prázdná. Aby znalosti a informace získaly skutečný význam a hodnotu - přešly ve vzdělanost a posléze v moudrost, musí být uskutečněna komplexní několikastupňová cesta poznání:
¨ Získávání faktických informací a znalostí - studiem, komunikací s druhými, osobní zkušeností, pozorováním, vědeckým výzkumem.
¨ Vnitřní pochopení těchto informací, hledání jejich vzájemných souvislostí a zařazení do kontextu s ostatními oblastmi.
¨ Uvedení poznatků a vědomostí do praxe, jejich konfrontace s různými měnícími se okolnostmi.
¨ Klást si nové otázky o podstatě těchto jevů a událostí, pokusit se najít vysvětlení. Vyvodit z nich závěry užitečné pro "vlastní duši" - pro svůj světový názor, vztahy k přírodě a svým bližním.
   Každá z těchto etap skýtá i určitá rizika omylů a zabloudění na zcestí. Např. u poslednho bodu se občas stává, že na základě jen povrchního studia, částečného poznání a nedostatečného pochopení, si ukvapeně vymyslíme bizarní a chybné vysvětlení. Někteří lidé s nedostatkem sebereflexe na těchto mylných koncepcích tvrdošíně setrvávají; nazývají je "alternativní vědou" (často se setkáváme s pracemi různých těch "geniálních autorů" vyvracejících teorii relativity či budujících dalekosáhlé "unitární teorie" hmoty a vesmíru na bázi psychotroniky, různých "energií", jemno a hrubo-hmotnosti a podobného arzenálu nepochopených pojmů)... - viz též "Šarlatánství versus věda", níže pak "Nová" a "stará" fyzika - kontinuita vědeckého poznání".
   Mezilidské vztahy jsou často založeny na zdůrazňování "vlastního já", což nenechává dostatek prostoru pro porozumění a naslouchání jiným, pro ocenění jejich předností a zkušeností, které by mohly obohatit i ono "naše já". Současný trend diktuje lidem, aby byli informováni. Přemíra informací však brání jejich skutečnému pochopení a využití - je vlastně překážkou k dosažení opravdového vzdělání a především moudrosti - "méně je někdy více".

  Rozdělit přírodu do kategorií lze pomocí různých kritérií. Nejstarší členění přírody, s nímž jsme se každý setkali v nejútlejším dětském věku při prvních krůčcích poznání, je rozdělení přírody na živou a neživou přírodu. Z lidského hlediska přistupujeme k živé přírodě s většími sympatiemi přináležitosti "živého k živému", než k přírodě neživé. Z fyzikálního hlediska je však rozdělení na živou a neživou přírodu bezpředmětné *): tytéž základní přírodní zákony platí jak pro neživou, tak pro živou přírodu.
*) Odhlížíme zde od toho, že je někdy nesnadné rozhodnout, zda některé jednoduché organické systémy zařadit mezi živé či neživé; to je užší problém molekulární biologie a organické biochemie.
  Rovněž další jednoduché dělení přírody na pozemskou a vesmírnou je překonané a fyzikálně neopodstatněné: nyní již víme, že přírodní děje probíhající zde na Zemi, i v nejvzdálenějších končinách vesmíru, se řídí stejnými univerzálními fyzikálními zákony.
  Skutečně opodstatněné a objektivní dělení přírody podle převládajících a určujících fyzikálních zákonitostí je následující:

• Makrosvět
  Je to ta část přírody, kde platí běžné a dobře známé a ze zkušenosti vypozorované zákonitosti klasické fyziky (tj. nerelativistické a nekvantové) - Newtonovy zákony klasické mechaniky, zákony klasické elektrodynamiky atd. Kromě běžných těles zde na Zemi to jsou např. i planety sluneční soustavy.
• Mikrosvět
  Zkoumáme-li detaily složení hmoty v měřítcích menších než cca 10^-8cm, tj. v atomárních a subatomárních měřítcích, zjišťujeme, že některé zákonitosti klasické fyziky zde již dobře a přesně "nefungují", ztrácejí platnost a musí být nahrazeny zákony kvantové fyziky. Strohý determinismus klasické fyziky zde již neplatí a je nahrazen stochastickými zákonitostmi "rozmazaných" a vlnících se částic.
• Megasvět
  Podobně když jdeme do velkých vzdáleností a měřítek vesmíru v kosmologii, cca 10⁶ světelných let a větších, přestávají rovněž přesně fungovat některé zákonitosti klasické fyziky a objevují se zákonitosti nové - zákony Einsteinovy speciální a především obecné teorie relativity. Dominantní roli pro stavbu a vývoj vesmíru zde začíná hrát zakřivení prostoročasu (podrobnosti viz kniha "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").

Uvedené tři kategorie přírody nemají zdaleka ostré hranice a často se prolínají. A to i tak vzdálené oblasti jako je megasvět a mikrosvět - např. termonukleární reakce v nitru Slunce či vzdálených hvězd, a dokonce i procesy samotného vzniku vesmíru ("velký třesk"), jsou řízeny kvantovými zákonitostmi jaderné fyziky a interakcí elementárních částic mikrosvěta.

Obr.1.0.1. Široké spektrum velikostí objektů našeho světa, zkoumaných různými obory fyziky a přírodovědy pomocí různých nástrojů.

Přírodní vědy
Ve vzdálené minulosti (starověku a středověku) byla jen jedna věda zvaná filosofie, která zahrnovala všechny oblasti tehdejšího lidského vědění - společnosti, přírody, medicíny, náboženství, historie atd. Skutečných poznatků bylo málo, převládaly spekulace a dohady, konvenční tradované názory a náboženská dogmata.
Stručný přehled vývoje poznatků o přírodě, zvláště pak o vesmíru, prostoru, času, elektřině a gravitaci, od starověku až po současnost, je podán v §1.1 "Historický vývoj poznatků o přírodě, vesmíru, gravitaci" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").
  S rostoucím poznáním přírody již nebylo možné obsáhnout vše v rámci filosofie, z níž se proto postupně vyčleňovaly a oddělovaly přírodní vědy. Základní dělení přírodních věd je na základě hlavních okruhů přírodních jevů a objektů, kterými se zabývají:

• Fyzika -
  je fundamentální přírodní věda, která zkoumá nejobecnější, nejzákladnější a nejjednodušší jevy, které leží v nejvnitřnější podstatě veškerého přírodního dění (řec. "fýsis" = příroda, přirozenost). Zákonitosti objevované fyzikou mají univerzální charakter - platí všude "na Zemi i na nebi", v nitru atomů, uvnitř živých buněk i v nejvzdálenějších galaxiích ve vesmíru. Jevy zkoumané fyzikou jsou reprodukovatelné: zajistíme-li stejné podmínky, proběhne kdykoli a kdekoli daný fyzikální jev s jistotou vždy stejným způsobem *). Univerzální poznatky a metody fyziky pak slouží jako základ pro ostatní přírodní vědy, které na ně navazují a pokračují ve zkoumání složitějších specifických systémů, potažmo pak i pro filosofii a společenské vědy.
  *) V kvantové fyzice se toto tvrzení vztahuje na relativní pravděpodobnosti jednotlivých způsobů interakcí, které se přesně projevují při analýze velkého počtu jednotlivých interakcí.
    Jevy nereprodukovatelné ("jedna paní povídala", různé "zázraky", astrologická, parapsychologická a jiná šarlatánská tvrzení a pod.) nejsou předmětem fyzikálního bádání; fyzika je k nim skeptická, i když jejich existenci přímo nepopírá - spíše se k nim nevyjadřuje (viz též pasáž "Šarlatánství versus přírodověda" v §1.1 knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").
• Chemie -
  je věda o chemických reakcích - o slučování atomů prvků a jejich vazbách do molekul sloučenin. Zkoumá vlastnosti těchto sloučenin, jejich další vzájemné reakce slučování či rozkladu. Podstatou chemického slučování jsou elektrické přitažlivé síly mezi atomy, které si při dostatečném vzájemném přiblížení sdílejí část obalových elektronů ve valenční slupce.
    Konvenčně se chemie obvykle dělí na dvě velké části: chemii anorganickou a organickou. Organická chemie je v podstatě chemií sloučenin uhlíku (především s vodíkem - uhlovodíky, ale i s dusíkem, sírou, fosforem a dalšími prvky), o nichž se dříve myslelo, že je vytvářejí pouze živé organismy.
• Biologie -
  je věda zkoumající živé organismy - jejich stavbu, vývoj, metabolismus, druhové členění, vzájemné vztahy. Základem biologie je 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, které probíhají převážně ve vodním prostředí.
  *) Poprve pozoroval buňky korku již v r.1665 R.Hooke pomocí jednoduchého mikroskopu, další buňky pak dokonaleji A.Leeuwenhoek. O vznik nauky o buňkách - cytologie - se významně zasloužil i J.E.Purkyně. Teprve objev buněk a postupné poznávání složitých biochemických reakcí, probíhajících v buňkách na molekulární úrovni, přeměnilo koncem 19. a ve 20. stol. biologii a medicínu z popisné empirické nauky (popis druhů, "počítání okvětních lístků a tyčinek", vnější projevy nemocí, ...) na skutečnou vědu, umožňující na jednotném exaktním základě pochopit podstatu a fungování života, za fyziologických i patologických situací. Výzkum složitých biochemických pochodů na subcelulární úrovni bude ještě dlouho pokračovat. O buňkách, jejich stavbě a činnosti je podrobněji pojednáno v §5.2, část "Buňky - základní jednotky živých organismů".
    Konvenčně se biologie dělí na botaniku rostlin a zoologii živočichů, jejíž součástí je i biologie člověka, na niž pak navazuje i medicína.
• Matematika
  Matematika vznikla původně v kontextu přírodovědy jako disciplína, která systemizovala a kvantifikovala počet, velikost a poziční vztahy reálných hmotných těles a objektů. Další vývoj matematiky, především od 18.stol, však vedl k osamostatnění matematiky jakožto exaktní abstraktní vědy, pracující na základě logiky s abstraktními pojmy a strukturami. Vedle zákonů matematické logiky je základem matematiky teorie množin, mezi jejímiž prvky jsou definovány operace zobrazení. Zákonitostmi číselných množin se zabývá aritmetika a algebra s navazujícím aparátem matematické analýzy, diferenciálního a integrálního počtu. Bodovými množinami se zabývá geometrie a topologie, která studuje i vícerozměrné variety nejen eukleidovské, ale i zakřivené.
    V přírodních vědách je matematika cenným nástrojem pro kvantifikaci přírodních dějů a zákonitostí, jejich modelování a porovnávání.
• Filosofie
  Filosofie v nynějším pojetí není samozřejmě přírodní, nýbrž převážně humanitní vědou. Součástí filosofie je však i teorie poznání - gnoseologie či noetika (dříve též epistemologie), která má úzký vztah s přírodovědou. Filosofie dovede klást hluboké a zásadní otázky, avšak sama o sobě na ně není schopna věrohodně odpovědět - pomocí čistě filosofických spekulací lze dospět k nejrůznějším, často protichůdným závěrům. Přírodní vědy poskytují pro filosofii nepostradatelný zdroj pozitivních (věrohodných, objektivních) informací - poznatků, které filosofie může "zastřešit" a začlenit do uceleného světového názoru (tento světový názor může být více či méně adekvátní, podle úrovně vědění a serióznosti filosofického přístupu).
    Hlavní rozdíl mezi filosofií a přírodovědou je možno zjednodušeně vyjádřit tak, že přírodní vědy poskytují ověřené a fungující poznatky, zatímco filosofie poskytuje spíše názory (tyto názory však mohou být důležité "pro naši duši"...).
  Některé "styčné body" mezi astrofyzikou a filosofií jsou rozebírány v přírodovědně-filosofické práci "Antropický princip aneb kosmický Bůh".

  Zmíněný metodický postup, při němž se biologické děje vysvětlují chemickými reakcemi a chemické reakce zase fyzikálními interakcemi atomů, se označuje jako redukcionismus - složitější jevy se snažíme redukovat a vysvětlit pomocí jevů jednodušších. Permanentním předmětem diskusí přírodovědců a filosofů je otázka, zda toto redukcionistické schéma bilogie Ü chemie Ü fyzika lze či nelze (aspoň v principu) aplikovat i na vyšší nervovou činnost - psychické a duševní pochody v lidské mysli ..?..

Metodické členění fyziky
Podle metody a stylu práce při zkoumání přírodních zákonitostí lze fyziku dělit do tří oblastí:

• Experimentální fyzika
  zkoumá přírodní zákonitosti metodou provádění pokusů, při nichž se za přesně definovaných podmínek pozoruje a měří průběh zkoumaného jevu. Při těchto experimentech je třeba se soustředit na podstatu konkrétního děje a pokud možno odizolovat nebo zkorigovat všechny rušivé vlivy, které by mohly zkreslit výsledky pozorovaného děje.
    Éra jednoduchých mechanických experimentů patří minulosti, nynější experimentální fyzika pracuje s velmi složitými aparaturami s elektronickým počítačovým vyhodnocováním. Např. obrovské urychlovače elementárních částic, vybavené precizní detekční elektronikou, jsou nejsložitějšími zařízeními, jaké kdy lidé sestrojili.
• Teoretická fyzika (zvaná též matematická fyzika)
  analyzuje výsledky experimentů, zobecňuje a porovnává je. Pomocí matematických metod a modelů formuluje fyzikální zákony, většinou ve formě matematických vzorců a rovnic. Snaží se vytvářet fyzikální teorie, které by zahrnovaly co nejširší skupinu pozorovaných jevů, popř. předpovídaly i jevy nové.
• Aplikovaná fyzika (zvaná též technická fyzika)
  se zabývá tvůrčím uplatněním fyzikálních poznatků z experimentů a teorie v různých oblastech vědy a techniky, průmyslu, medicíny atd. Veškeré vymoženosti moderní techniky (zvláště pak elektroniky) jsou založeny na aplikaci fyzikálních poznatků.

Oborové členění fyziky
Podle konkrétních skupin zkoumaných přírodních jevů se fyzika člení do velkého počtu oborů a specializací (je jich více než sto), z nichž zde vyjmenujeme jen několik nejzákladnějších (každý z nich má řadu podoborů a specializací, včetně mezioborových) :

• Mechanika (klasická mechanika)
  je nejstarším oborem fyziky, který se zabývá nejzákladnějšími zákonitostmi pohybu těles. K vyšetřování pohybu těles, který je jak známo relativní, je třeba vytyčit vztažnou soustavu opatřenou 3 prostorovými souřadnicemi a měřením času. V mechanice se nejčastěji používá tzv. inerciální vztažná soustava, v níž je splněn Newtonův zákon setrvačnosti. Tři prostorové souřadnice a jedna časová tvoří 4-rozměrný prostoročas, který je v rámci klasické mechaniky pouhou myšlenkovou konstrukcí, avšak hraje klíčový význam v teorii relativity (o níž podrobně pojednává kniha "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").
    Vlastním popisem pohybu - tvar dráhy, rychlost, zrychlení - se zabývá kinematika (bez analýzy příčin tohoto pohybu). Silovým působením těles a vztahem síly a pohybu se zabývá dynamika, která je založena na třech proslulých Newtonových zákonech: zákonu setrvačnosti, zákonu síly a zrychlení a zákonu akce a reakce. Při popisu pohybu pevných těles se často používá aproximace hmotného bodu: těleso se nahradí jeho těžištěm, do něhož se soustředí veškerá hmotnost tělesa.
    Součástí klasické mechaniky je i Newtonův gravitační zákon a jeho aplikace na "nebeskou mechaniku" pohybů planet ve sluneční soustavě. Vlastnostmi pohybů v kapalinách a plynech se zabývá hydrodynamika a aeromechanika, které jsou součástí mechaniky kontinua.
  .....................
• Termika a termodynamika
  se zabývá tepelnými jevy - podstatou tepla, teplotou, přenosem a šířením tepla, přeměnami tepelné energie. Úzká souvislost termiky s mechanikou spočívá v kinetické teorii tepla, podle níž je teplo projevem kinetické energie pohybů atomů či molekul dané látky. Termodynamika zformulovala tři základní zákony:
  1.zákon termodynamiky - zákon zachování tepla~energie;
  2.zákon termodynamiky - samovolný přechod tepla jen z teplejšího na chladnější těleso, jinak též zákon růstu entropie izolované soustavy;
  3.zákon termodynamiky - nemožnost dosažení absolutní nuly teploty (0°K) konečným počtem kroků.
    Termodynamika dále studuje závislosti objemů, tlaků, hustot na teplotě, fázové přechody atd. Termodynamika nerovnovážných systémů - synergetika - ve své koncepci "organizovaného chaosu" nabízí zajímavé možnosti pochopení procesů evoluce hmoty a snad i mechanismů vzniku života (viz např. pasáž "Determinismus - náhoda - chaos?").
• Elektřina a magnetismus - elektrodynamika
  zkoumá elektrické a magnetické jevy. Nositeli elektrických vlastností - elektrických nábojů - jsou základní elementární částice: protony (+) a elektrony (-). Základním zákonem elektřiny je Coulombův zákon elektrostatiky o vzájemném silovém působení elektrických nábojů. Pohybem elektrických nábojů vzniká magnetické pole, pohybem nebo časovou proměnností magnetického pole se indukuje pole elektrické a naopak. Sloučená nauka o elektřině a magnetismu se nazývá elektrodynamika, v níž je elektromagnetické pole popsáno Maxwellovými rovnicemi (viz §1.5 "Elektromagnetické pole. Maxwellovy rovnice." knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Proměnné elektromagnetické pole se může prostorem (i vakuem) šířit ve formě elektromagnetických vln, a to rychlostí světla.
• Optika
  je nauka o vzniku, šíření a vlastnostech světla. Úzká souvislost s elektrodynamikou je dána tím, že světlo není ničím jiným než elektromagnetickým vlněním o příslušné vlnové délce. Vlnová délka viditelného světla je v rozmezí od cca 750 nm (vidíme jej jako červené světlo) do cca 360 nm (fialové světlo); optika se však zabývá i blízkými oblastmi infračerveného a ultrafialového záření. Různá rychlost elektromagnetického vlnění v různých látkových prostředích je příčinou lomu světla, od některých předmětů se světlo odráží, jindy je pohlcováno. Geometrická optika studuje zákony lomu a odrazu světla a jejich využití pro optické zobrazování (v mikroskopech či dalekohledech). Vlnová optika pak vlnové projevy světla jako je ohyb, interference, polarizace. Kvantová optika studuje procesy vyzařování a absorbce světla na kvantové atomární a molekulární úrovni. Tyto procesy jsou využívány ve spektrometrii a v optoelektronice při vzájemné přeměně světelných a elektrických signálů.
• Atomová a jaderná fyzika
  zkoumá stavbu a vlastnosti atomů a atomových jader, v kontextu s vlastnostmi elementárních částic. Podává podrobný obraz detailů struktury hmoty a přesvědčivě vysvětluje řadu důležitých jevů na atomární a subatomární úrovni, od nichž se odvíjí všechny vlastnosti a projevy hmoty, včetně radioaktivity i chemických reakcí. Aplikace zákonitostí jaderné fyziky na jevy ve vesmíru - tzv. jaderná astrofyzika - dokáže vysvětlit původ prvků ve vesmíru (nukleogeneze - viz "Jsme potomky hvězd!" nebo "Kosmická alchymie") i fungování hvězd (termonukleární reakce v jejich nitru - viz část "Evoluce hvězd" v §4.1 "Úloha gravitace při vzniku a evoluci hvězd" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Atomové a jaderné fyzice, včetně fyziky elementárních částic, je věnována v podstatě celá Kapitola 1 "Jaderná a radiační fyzika" stávající monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".

  Vedle specializovaných fyzikálních oborů, zabývajících se konkrétními skupinami jevů, jsou součástí struktury fyziky i dvě významné teoretické koncepce moderní fyziky, které mají obecnější charakter a jdou "napříč obory" :

• Teorie relativity - speciální a obecná
    Speciální teorie relativity, vytvořená A.Einsteinem v r.1905, se zabývá fyzikálními zákonitostmi při vysokých rychlostech pohybu, blízkých rychlosti světla. Ukazuje, že rychlost světla je univerzální konstantou, nezávislou na pohybovém stavu zdroje a pozorovatele, je to maximální rychlost šíření interakcí. Při vysokých rychlostech dochází ke změnám prostorových měřítek a chodu času - kontrakci délek a dilataci času. Rovněž setrvačná hmotnost těles je při rychlém pohybu větší než hmotnost klidová (a při přiblížení rychlosti světla dokonce roste k nekonečnu!).
    Kromě astrofyziky a kosmologie se speciální teorie relativity zásadním způsobem uplatňuje ve fyzice elementárních částic, pohybujících se vysokými rychlostmi. Veškeré elektromagnetické jevy mají ve svých základech implicitně obsaženy zákonitosti speciální teorie relativity. Speciální teorie relativity je podrobněji vyložena v §1.6 "Čtyřrozměrný prostoročas a speciální teorie relativity" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".
    Obecná teorie relativity, završená rovněž A.Einsteinem v r.1916, je relativistickou teorií gravitace a zároveň prostoročasu. Na zákldě univerzálnosti gravitační interakce, vyjádřené v lokálním principu ekvivalence, je gravitační pole interpretováno jako zakřivený prostoročas. Hmota svým tenzorem energie-hybnosti zakřivuje prostoročas, tj. budí gravitační pole, podle Einsteinových rovnic gravitačního pole. Tento Einsteinův gravitační zákon zpřesňuje a zobecňuje klasický Newtonův gravitační zákon na situaci silných gravitačních polí. Obecná teorie relativity hraje klíčovou úlohu a astrofyzice (konečná stádia evoluce hvězd - gravitační kolaps, neutronové hvězdy, černé díry, horizonty) a v kosmologii (vznik, stavba a vývoj vesmíru, kosmologické modely, inflační expanze vesmíru a pod.). Obecná teorie relativity, spolu s jejími důsledky v astrofyzice a kosmologii, je podrobně vykládána v monografii "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu", především v kapitole 2 "Obecná teorie relativity - fyzika gravitace", v kapitole 4 "Černé díry" a kapitole 5 "Relativistická kosmologie".
• Kvantová fyzika
  Při studiu spekter elektromagnetického vyzařování, fotoefektu a zákonitostí mikrostruktury hmoty, byla v prvních dekádách 20.stol. zformulována kvantová mechanika, podle níž je elektromagnetické záření vyzařováno nikoli kontinuálně, ale po kvantech. Vlny se mohou chovat jako částice, částice zase jako vlny - korpuskulárně-vlnový dualismus. Deterministické zákony klasické fyziky jsou zde nahrazeny stochastickými zákony kvantovými, umožňujícími stanovit pouze pravděpodobnosti jednotlivých konkrétních jevů.
    Proslulý kvantový Bohrův molel atomu, po svém dalším zdokonalení, velmi dobře vysvětluje všechny pozorované jevy s atomy, včetně spekter jejich záření. Aplikace kvantových zákonitostí na teorii pole vedla ke vzniku kvantové teorie pole, která pomocí kvantově oscilujících polí, ekvivalentních částicím, velmi dobře vysvětluje interakce elementárních částic v mikrosvětě.

Významné přírodovědecké objevy - náhoda nebo metoda?
Kontinuita vědeckého poznávání přírody, jehož počátky můžeme sledovat zhruba od 16.století, byla čas od času narušena - v pozitivním smyslu - zásadními objevy, které podstatně urychlily poznání zkoumaných jevů, odhalily nové jevy či změnily metodiku a směr bádání. Zamysleme se krátce nad úlohou, jakou při těchto objevech sehrála náhoda a jakou systematický metodický postup. Všimneme si z tohoto hlediska třech případů:
¨ Objev magnetického účinku elektrického proudu učiněný H.Ch.Oerstedem v r.1820.
Nebýt náhodného položení magnetky na pracovním stole, dělal by Oersted dál řadu pokusů s elektrickými obvody, ale souvislost mezi elektrickým proudem a magnetismem by nezpozoroval.
¨ Objev rentgenového záření učiněný W.C.Röntgenem v r.1895.
Je stručně popsáno v §3.2 "Rentgenová diagnostika". Nebýt zakrytí výbojové trubice černým papírem a náhodného stínu na světélkujícím stínítku, nebyl by možná Roentgen vkládal mezi trubici a stínítko různé předměty (včetně své ruky). Dělal by dál zajímavé pokusy s katodovými trubicemi stejně jako desítky dalších experimentátorů v té době, ale nové pronikavé záření by asi nenašel.
¨ Objev radioaktivity učiněný v r.1896 H.Becquerelem.
Je stručně popsáno v §1.2 "Radioaktivita". Nebýt náhodného uložení minerálů, určených ke zkoumání (světelné) luminiscence, na světlotěsně zabalenou fotografickou desku a náhodného vyvolání této (doměle "čisté", neexponované) desky, zkoumal by Becquerel nadále luminiscenci vybuzenou slunečním světlem a o neviditelném radioaktivním záření, vycházejícím z nitra některých látek, by neměl tušení.
   Lze z historie těchto a řady jiných případů soudit, že významné objevy jsou snad dílem pouhé náhody? Rozhodně ne! Platí zde známé přísloví "náhoda přeje připraveným". Tito badatelé byli zkušenými experimentátory a své pokusy prováděli systematicky s dobře promyšleným metodickým postupem. Náhoda pouze nasměrovala tento metodický postup tak, že vyústil ve výsledný objev nového přírodního jevu. Nezkušený experimentátor by možná vyloučil některé pozorované jevy (pokud by si jich vůbec všiml), které nezapadají do rámce stávajících předpokladů, považoval by je za náhodné chyby. Např. by jako vadnou vyhodil fotografickou desku, která je zčernalá, ač by být neměla...
  Dále, i kdyby nenastaly zmíněné "náhody" a Oersted, Röntgen, Becquerel a další z učebnic známí badatelé by neučinili své objevy, zanedlouho by to učinil někdo jiný. Zkušených badatelů, usilovně provádějících na svou dobu špičkové pokusy, byla celá řada, neřešené problémy většinou již "nazrály" a bylo jen otázkou času provedení experimentů, které by vnesly nové "světlo" a směr. V současné době se základní přírodovědné (zvláště fyzikální) bádání dostalo již jednoznačně na úroveň systematického metodického postupu, na němž se podílí celé týmy složené z odborníků různých zaměření, s použitím většinou velmi složitých a nákladných (často i značně rozsáhlých) experimentálních zařízení. Ale ani opačné tvrzení, že "náhoda zde již nemá žádné místo" nemůžeme považovat za oprávněné...

"Nová" a "stará" fyzika - kontinuita vědeckého poznání
S pokrokem přírodovědného poznání se zákonitě stává, že dřívější představy a teorie již nevystačují pro vysvětlení nově objevovaných jevů a skutečností - jsou nahrazovány teoriemi novými. V laické veřejnosti a popularizační literatuře se často setkáváme s tvrzením, že "nová teorie vyvrátila či zbořila dosavadní teorii", nebo dokonce "nová fyzika vyvrátila starou fyziku". Tento názor je naprosto mylný! Toto částečně platilo při přechodu z předvědeckého období, kdy některé neověřené spekulace byby vyvráceny a nahrazeny teoriemi již skutečné přírodovědy, založenými na faktech. Nynější přírodověda - především fyzika - však již takovým způsobem nepostupuje.
  V přírodovědě (a ve fyzice zvlášť) platí kontinuita vědeckého poznání. Nové objevy a nová teorie nevyvrací experimentálně ověřené poznatky předchozí teorie, nýbrž doplňuje, upřesňuje a zobecňuje tuto teorii na jevy, které již není schopna vysvětlit; přitom obsahuje dřívější teorii jako limitní případ. Umožňuje hlubší chápání jevů v širší perspektivě - co je "za tím".
  Můžeme si to přiblížit na příkladu teorie relativity a kvantové fyziky. Einsteinova speciální teorie relativity nevyvrací klasickou Newtonovskou mechaniku, která je jejím limitním případem pro rychlosti malé ve srovnání s rychlostí světla. Upřesňuje však zákony pohybu tak, aby přesně platily i pro vysoké rychlosti. Podobně obecná teorie relativity nevyvrací klasický Newtonův gravitační zákon, který zůstává v platnosti jako limitní případ slabých gravitačních polí. Einsteinovy rovnice gravitačního pole jsou zobecněním, platným i pro extrémně silnou gravitaci. To zásadní a nové, co přináší teorie relativity, je nový pohled na vlastnosti prostoru a času (viz "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu") - avšak opět se to projevuje jen za "extrémních" podmínek, v běžném makrosvětě vystačíme s klasickým pojetím prostoru a času v duchu Eukleida a Newtona.
  Podobně vztah mezi klasickou a kvantovou fyzikou se formuluje jako tzv. princip korespondence: V limitě velkých kvantových čísel se stírá rozdíl mezi kvantovou a klasickou fyzikou, kvantová fyzika přechází v klasickou. Neboli pro velká kvantová čísla dává kvantová fyzika stejné výsledky jako fyzika klasická.
  Tento vztah kontinuity a korespondence bude nepochybně platit i u budoucích teorií. Podaří-li se úspěšně vybudovat unitární teorie pole, nijak to nenaruší fungování zákonitostí stávajících teorií jednotlivých oddělených "částečných" polí (elektromagnetického, gravitačního, jaderných sil) v podmínkách, kde jsou experimentálně ověřeny. Avšak předpoví a vysvětlí nové jevy při extrémně vysokých energiích interakcí, snad včetně jevů při vzniku vesmíru, na které dosavadní teorie nestačí.
Jednoduchost a logická úspornost
Dalším důležitým principem při budování fyzikálních (a obecně přírodovědeckých) teorií je jednoduchost a logická úspornost z hlediska zaváděného množství pojmů, důvodů, příčin; tyto entity se nemají zmnožovat více, než je nezbytné. Tento princip tzv. Occamovy břitvy*) - princip nejjednoduššího vysvětlení věcí - řeší problém nekonečného množství rozmanitých, v principu přípustných alternativních teorií, které vedou ke stejným výsledků při vysvětlování určitého přírodního jevu. Occamova břitva "odřezává" nadbytečné pojmy, předpoklady a teorie a ponechává jen ty věrohodné, logicky nutné a racionální; pokud pro nějaký jev existuje více vysvětlení, je rozumné dávat přednost tomu nejméně komplikovanému.
*) Nazývá se tak podle anglického středověkého filosofa Williama Occama (či Ockhama, 1287-1347), který se zabýval logickou stavbou vědění. Princip logicklé úspornosti ("je zbytečné dělat něco s větším počtem nástrojů, když to může být uděláno s menším") používal proti nadbytečnému množství scholastických principů, vlastností, podstat, forem a dalších vymyšlených východisek.
  V teoriích klasické a relativistické fyziky je tento princip důsledně dodržován. V některých novějších fyzikálních teoriích je však situace složitější. V kvantové teorii pole a unitárních teoriích se zavádějí pomocná tzv. kalibrační pole, jimž odpovídají nové hypotetické částice (viz "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny."). Nejsložitější situace je pak v teorii superstrun, kde podle názoru některých fyziků je princip Occamovy břitvy porušován..?..
Vyvratitelnost teorií
Teorii nemůžeme nikdy s absolutní a konečnou platností dokázat, nýbrž ji můžeme pouze empiricky testovat. I když je teorie mnohokrát experimentálně potvrzena, nikdy si nemůžeme byt jisti, že při dalších pokusech či měřeních se neobjeví nesoulad - teorii může vyvrátit*) třebas jen jediný experiment či pozorování, jehož výsledky jsou v rozporu s jejími předpověděmi. Hodnotnou teorií je tedy taková, která nejen souhlasí se stávajícími poznatky, ale kterou je možné empiricky vyvrátit - falsifikovat. Dokud se tak nestane, považujeme teorii za správnou, či přesněji řečeno za adekvátní. "Nevyvratitelná" teorie je z přírodovědeckého hlediska prázdná, má metafyzický charakter. Toto kritérium hodnotnosti teorie se někdy označuje jako Popperovské (podle rakouského filosofa K.Popprera, který se teorií poznání zbýval z hlediska kritického a skeptického realismu), "Popperova břitva". Takto chápaná vyvratitelnost teorií umožňuje další pokrok poznání - vytváření nových dokonalejších teorií.
*) Slovo "vyvrátit" zde neznamená úplně negovat a zbořit, ale spíše vymezit oblasti, kde již neplatí - srov. s výše diskutovanou kontinuitou vědeckého poznání. Fyzikové toto chápou konstruktivně - je jim jasné, že když taková situace nastane, je to výzvou k hledání nové, dokonalejší teorie. Pro některé ne dostatečně erudované a předsudky zatížené lidi se však Popperovské kritérium vyvratitelnosti může stát záminkou k účelovým útokům na dobře ověřené, adekvátní přírodovědecké teorie; většinou za účelem propagace teorií neobjektivních a mylných...

Racionalita - intuice - fantazie v přírodovědě
Základem přírodovědeckého poznání je nepochybně racionální analýza jevů v přírodě, vypozorovaných buď přímo, nebo prostřednictvím experimentů. Pomocí této analýzy usuzujeme na společné zákonitosti, kterými se přírodní děje řídí a nakonec formulujeme příslušné přírodní zákony. Vedle racionálního postupu se však v určitých etapách vědeckého bádání uplatňují další dva specifické aspekty lidského myšlení - intuice a fantazie.
  Intuice představuje schopnost poznávat přímo, aniž bychom vědomně zapojovali rozum a racionální usuzování. Je to jakýsi "okamžitý vhled", rychlé bezprostřední pochopení a poznání; intuice má charakter "náhlého osvícení", "šestého smyslu". Z hlediska neurologie centrálního nervového systému se ukazuje, že racionalita i intuice jsou projevem činnosti dvou odlišných, ale těsně spolupracujících rozsáhlých neuronových sítí v mozku. Neuronová síť, v níž se odehrává intuice, je vývojově starší, její zárodky se projevují již v instinktech u zvířat. Racionální síť je vývojově mladší, je specificky lidská. Spolupráci obou sítí lze v počítačové terminologii přirovnat ke koprocesoru, který rychle vyměňuje informace zapsané v neuronových mapách jednotlivých sítí. V určitém smyslu je intuice zkráceným a zrychleným podvědomým proběhnutím mnoha možností, které vyústí ve výběr "té pravé" varianty... Na rozdíl od obyčejného "hádání" se ve vědě jedná o podvědomé operace "trénovaného" rozumu, který takto může správné řešení "kvalifikovaně uhodnout". A fantazie představuje schopnost představit si věci a události jinak, než je běžně vidíme a známe - modifikovat některé mapy, zapsané v neuronových sítích.
  Intuice má velký význam v přelomových etapách přírodovědného poznání. Nové zobecňující a sjednocující přírodní zákony totiž mnohdy nelze objevit logickou cestou - nelze je čistě racionálně, třebas matematicky, odvodit ze zákonů stávajících, neboť v nich nejsou obsaženy (aspoň ne přímo). Zde pomáhá intuice, která poskytuje "cit" pro chápání implicitních zákonitostí, které se za určitými jevy skrývají. A odhaluje dříve nedoceňované podobnosti, někdy i mezi zdánlivě vzdálenými oblastmi. Racionálním rozvedením intuitivních představ pak vznikají přírodovědné teorie.
  Příkladem může být skvělá intuice A.Einsteina, který si za pomoci myšleného experimentu se zdviží všiml podobnosti dávno známých mechanických jevů: dynamiky pohybů těles v neinerciálních (zrychlených) soustavách a dynamiky pohybů těles v gravitačním poli. A když k tomu připojil zákonitosti své speciální teorie relativity, vyvodil z toho nový pohled na gravitaci a zakřivený prostoročas - obecnou teorii relativity (podrobně je rozebráno v §2.2 "Univerzálnost - základní vlastnost a klíč k pochopení podstaty gravitace" v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu).
  Fantazie nám poskytuje množství různorodých možností "jak by to případně mohlo fungovat" - a ukazuje se, že některé z těchto možností (někdy i ty, které se původně jeví jako "šílené nápady") se skutečně v přírodě realizují..!..
  Pro dosažení objektivního a pravdivého poznání musí intuice, stejně jako racionální metoda, vycházet z pozitivně zjištěných skutečností a ověřených údajů. Obvyklou chybou "amatérských myslitelů" bývá to, že vycházejí z nedostatečných, nespolehlivých či zkreslených údajů, navíc nedostatečně pochopených a nezařazených do kontextu ostatních poznatků. Intuitivně z toho pak vyvozují svérázné představy, jejichž rozvedením (třebas i racionálním) dospívají k naprosto chybným závěrům a koncepcím, často již bez zpětné vazby a sebereflexe...

Unitarizace ve fyzice
Základem vědeckého myšlení je sjednocování: v ohromné rozmanitosti jevů a událostí hledat obecné zákonitosti a společnou podstatu, snažit se vysvětlit různorodost jevů na základě co nejmenšího počtu základních zákonů. Přemýšliví lidé vždy toužili po teorii, která by popsala a umožnila pochopit veškerou pozorovanou složitost a rozmanitost přírody. Konečným (monistickým) ideálem je vysvětlit všechny přírodní zákony pomocí jediného univerzálního principu - vytvořit definitivní finální teorii či jednotnou "teorii všeho". A právě fyzice, která zkoumá nejzákladnější zákonitosti přírody, náleží hlavní sjednocovací úloha mezi všemi přírodními vědami.
  Charakteristickým rysem fyzikálního pohledu na přírodu je již zmíněný redukcionistický přístup a snaha o jednotné pochopení co nejširší třídy jevů - unitarizace. Tato snaha se jako "červená nit" táhne celou historií fyziky - viz §B.1 "Proces sjednocování ve fyzice" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".
  První etapa unitarizace proběhla vlastně již v samotných začátcích fyziky jako vědy: jednalo se o sjednocení "pozemské" a "nebeské" mechaniky. Zásluhou Galileiho, Koperníka, Keplera a Newtona se stávalo jasné, že přírodní zákony pozorované zde na Zemi platí i jinde ve vesmíru. Newtonův zákon všeobecné gravitace ukázal, že síla zemské tíže způsobující padání těles je identická se silou udržující planety na oběžných dráhách kolem Slunce, tj. s vesmírnou gravitací.
Do "klasického" období unitarizace fyziky lze rovněž zařadit sjednocení mechaniky a termiky v kinetické teorii tepla, podle níž podstatou tepelných jevů je kinetická energie neuspořádaného a kmitavého pohybu molekul a atomů v látkách.

  Důležitou etapou unitarizace ve fyzice bylo sjednocení elektrických a magnetických sil, které se předtím zdály být zcela různými přírodními silami. Důsledkem jednoty elektřiny a magnetismu ve Faradayově-Maxwellově elektrodynamice je i existence elektromagnetického vlnění, které se vyzařuje při zrychleném pohybu elektrických nábojů. Vlastnosti těchto elektromagnetických vln se ukázaly být identické s vlastnostmi světla: došlo tak navíc ke sjednocení jevů optických a elektromagnetických. Radiovlny, tepelné záření, světlo, rentgenové i gamma záření, spolu s klasickými i relativistickými efekty elektřiny a magnetismu, jsou tedy jen různými projevy elektromagnetické interakce.
  Rozvoj atomistiky a kvantové mechaniky v první třetině 20. století ukázal, že veškerou rozmanitost chemických jevů lze vysvětlit pomocí elektromagnetických interakcí a kvantových zákonitostí v elektronových obalech atomů jednotlivých prvků; totéž platí o fyzikálních vlastnostech pevných těles (pružnost, pevnost, dislokace), kapalin i plynů. Chemie tak byla fakticky "pohlcena" fyzikou, aspoň co se týče základů.
  Další dvě etapy unitarizace souvisejí s teorií relativity. Ve své speciální teorii relativity Einstein sjednotil prostor a čas do jednotného prostoročasového kontinua, v obecné teorii relativity pak ukázal, že Newtonovská gravitace a setrvačnost jsou společným projevem geometrických vlastností (křivosti) prostoročasu, který má dynamický charakter - došlo ke sjednocení gravitace a prostoročasu.

Sjednocování fundamentálních interakcí - unitární teorie pole
Vyústěním zmíněných etap unitarizace bylo zjištění, že veškeré přírodní dění je řízeno jen čtyřmi typy interakcí: gravitační, elektromagnetickou, silnou a slabou interakcí. Každá interakce je ve fyzice vyjádřena pomocí příslušného fyzikálního pole. Sjednocování interakcí tak spočívá ve vytváření tzv. unitární teorie pole. Průkopníkem unitární teorie pole byl A.Einstein, který po vytvoření obecné teorie relativity pracoval až do posledních dní svého života na teoriích sjednocení elektromagnetického a gravitačního pole.
  Myšlenka unitární teorie pole je nesmírně hluboká a krásná: podle ní by mělo existovat jediné, zcela základní a vše zahrnující fyzikální pole, jehož projevem by pak byla všechna pozorovaná pole v přírodě (gravitační, elektromagnetické, pole silných a slabých interakcí a příp. další pole třebas v subnukleární fyzice). Ve světě pak neexistuje nic než toto pole, z něhož je všechno složeno - i hmotné útvary (např. částice) jsou jakési místní "zhuštěniny" tohoto pole.
  Moderní unitarizační snahy probíhají na půdě kvantové teorie polí a jejich cílem je sjednocování fundamentálních interakcí mezi elementárními částicemi - interakcí silných, slabých, elektromagnetických a gravitačních.
  První výrazný úspěch na této cestě byl zaznamenán při sjednocování elektromagnetické interakce a slabé interakce v tzv. elektroslabou interakci - jedná se o Weinbergovu-Salamovu-Glashowovu teorii. Další etapa unitarizace se označuje jako velké sjednocení (GUT - Grand Unification Theory) - zde se pokoušíme sjednotit silnou interakci, popsanou kvarkovou chromodynamikou, s elektroslabou interakcí. Tyto etapy unitarizace dosáhly značných úspěchů, vedly k vytvoření standardního modelu elementárních částic.
  Završení unitarizace interakcí v kvantové teorii pole by spočívalo v zahrnutí gravitační interakce, v jejím sjednocení s ostatními třemi druhy interakcí. Tento ambiciózní unitarizační program se označuje jako supersjednocení nebo supergravitace; v současné době se v tomto směru neintenzívněji pracuje v oblasti tzv. teorie superstrun.
Unitární teorie pole jsou podrobněji popsány v jednotlivých § Kap.B "Unitární teorie pole a kvantová gravitace" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu", především v §B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny.".

Fyzika - krása a dobrodružství poznání
Nádherná a obdivuhodná stavba fyziky, která zde byla jen letmo nastíněna, s pokrokem poznání umožňuje čím dál lépe pochopit stavbu a fungování našeho světa - od mikroměřítek elementárních částic, přes stavbu atomů, fungování živých buněk, organismů, hvězd a planet, galaxií, i stavbu a vývoj celého vesmíru.
  Vědecké poznání nových, často dříve netušených jevů a krása architektury jejich vzájemných vztahů vyjádřených v přírodních zákonech, poskytuje přemýšlivému člověku neskonalou radost z poznání "jak funguje náš svět", jaká je podstata věcí a událostí. Tento vnitřní pocit je duchovního charakteru, ne nepodobný "náboženskému vytržení" či samádhi při meditaci. Vede nás to k hluboké úctě před velkolepostí skrytého řádu a "rozumu", který je imanentně vtělen v bytí. Prostřednictvím vnitřně pochopeného vědeckého poznání můžeme dosáhnout osvobození od pout malichernosti a sobectví, dosáhnout zduchovnění našeho chápání světa a zušlechtění vzájemných vztahů mezi sebou i k živé a neživé přírodě.
  Tělesně jsme my lidé jen nicotným práškem ve vesmíru. Duchovně ale tuto svou nicotnost vysoce přesahujeme: ten obrovský vesmír - jeho stavbu, fungování, vývoj - jsme schopni poznávat a rozumět mu.
  Je toho však stále mnoho, co zatím nevíme a možná ani netušíme. Další dobrodružství poznání nás ještě čekají!

Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření		1.1. Atomy a atomová jádra

Vojtěch Ullmann