| AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie | Gravitace, černé díry a fyzika |
Kapitola 1
GRAVITACE A JEJÍ MÍSTO VE FYZICE
1.1. Příroda,
vesmír, gravitace. Vývoj poznatků.
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. Příroda, vesmír, gravitace. Vývoj poznatků.
Gravitace je síla, se kterou je ve formě zemské tíže (řec. gravis = těžký) 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 této úvodní části si stručně zrekapitulujeme, jak se názory na gravitaci, prostor, čas, hmotu, vesmír a přírodu vůbec, postupně vyvíjely a tříbily od starověku až po dnešek. A pak se zamyslíme nad obecnou podstatou přírody a vesmíru, nad tajemstvími naší existence.
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 - jednotky *), tj. určité standardní předměty, pomocí nichž lze srovnáváním vyjádřit velikosti jiných předmětů (či čas - doba trvání dějů). 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
*) Jednotky
délky a času
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
trvání jednoho oběhu Země kolem Slunce - "rok",
doby oběhu Měsíce kolem Země - "měsíc", doby
jedné otáčky Země kolem osy - "den"; ten se
rozdělil na 24 "hodin", hodina na 60
"minut", minuta na 60 "sekund" ("vteřin" **). Název
"minuta" pochází z lat. pars minuta - zmenšená
část (hodiny), "sekunda" pak z pars minuta
secunda - druhá zmenšená část.
**) Český lidový název
"vteřina" vznikl z nahrazení lat. secundum
slovanským názvem vterý (druhý).
I když dnes jsou tyto jednotky definovány a
metrogicky měřeny 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
číselná 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.
Studiem objektů mimo Zemi - ve vesmíru - se
zabývá astronomie (řec.
astron = hvězda, nomos =
pravidlo,řád,zákon; tedy "zákonitosti hvězd") *), lidově hvězdářství. Současná
astronomie sice zahrnuje i zkoumání planetárních systémů,
mezihvězdné látky a celkové evoluce vesmíru (kosmologie), avšak hvězdy
a jejich systémy (galaxie) jsou stále pro astronomy hlavními
objekty.
*) Původně se jednalo o "zákonitosti
pohybu hvězd", neboť zdánlivé posuny hvězd a
souhvězdí na obloze se považovaly za pohyb hvězd. O
vlastní podstatě hvězd se ve starověku a středověku nic
nevědělo, považovaly se za jakési neměnné vzdálené
svítící body - stálice, na jejichž pozadí se
pohyboval Měsíc, planety, příp. Slunce. Skutečná povaha
hvězd byla postupně odhalována až v průběhu 19. a
20.století - že se jedná o velmi vzdálené obrovské žhavé
plynné koule, v jejichž nitru probíhají termonukleární
reakce (po většině doby jejich evoluce); Slunce je též hvězda, jsou to jakási
"vzdálená Slunce". Nejsou neměnné a věčné, ale
během své evoluce se smršťují a expandují, mohou i prudce
vybuchovat, "žijí" konečnou dobu - podrobnosti jsou
v §4.1 "Gravitace a evoluce hvězd".
Astronomie je někdy
považována za "královnu věd",
a to ze dvou hledisek :
a) Je to nejstarší přírodní věda.
Astronomická pozorování, záznamy a výpočty poloh nebeských
těles na obloze se prováděly již ve starověku. Tehdy se
však za přírodní vědu nepovažovala, neboť se nevědělo,
že pozemská a "nebeská" příroda jsou jedno a
totéž.
b) Všechno je součástí vesmíru, i
naše Země je kosmické těleso; všechno kolem nás se
utvořilo díky astrofyzikálním procesům ve vesmíru (§4.1 "Úloha gravitace při vzniku a
evoluci hvězd" a §5.4
"Standardní kosmologický model. Velký třesk.
Formování struktury vesmíru."). Současná fundamentální fyzika se v koncepcích unitární
teorie pole snaží na stejných základech řešit
problematiku mikrosvěta elementárních částic i megasvěta,
vzniku a evoluce vesmíru (kapitola B
"Unitární teorie pole a kvantová gravitace", §B.6 "Sjednocování
fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny.").
Starověké civilizace měly obecně velmi chabé
a naprosto zkreslené znalosti o vesmíru. Nelze
se tomu divit - ostatně, ani my bychom na tom nebyli lépe,
kdybychom se jen rozhlíželi po obloze bez optických
přístrojů a bez předběžných znalostí. V bezprostředním
vizuálním poznávání vesmíru nám totiž brání zásadní
obtížně překonatelné překážky :
1. Vesmírné objekty jsou velice vzdálené.
Optický systém našeho oka vytváří na sítnici tak malé
obrazy těchto objektů, že nelze rozlišit detaily jejich
struktury. Ze vzdálených objektů vesmíru přichází jen velmi
málo světla, které vzhledem k malému průměru
oční čočky (cca 5mm) většinou nestačí k jejich vidění i
při poměrně vysoké citlivosti sítnice.
2. Žijeme na planetě Zemi, která rotuje
("kosmický kolotoč") a obíhá kolem Slunce. Tyto pohyby nás pozorovatelů
(které si neuvědomujeme) vzbuzují mylný dojem o pohybech
pozorovaných objektů ve vesmíru.
3. Zemská atmosféra pohlcuje hodně
světla a naše oko je citlivé jen k úzké oblasti spektra
elektromagnetického záření. Další důležitá
"okna" do vesmíru jsou našemu zraku skryta.
4. Zemská gravitace nás pevně poutá k
zemi a brání mám "jít se podívat zblízka" na
kosmické objekty. V tom nám ostatně brání i naše úzká vazba
na pozemské životní podmínky a naše
"hlemýždí" pomalost při
překonávání obrovských vzdáleností ve vesmíru.
Astrologie
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! Žádná vzdálená vesmírná
tělesa nemohou mít vliv na osobnostní
charakteristiky lidí ani na jejich osud. 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 samozřejmě nemá nic společného.
Podobně je tomu s numerologií.
Čísla mnohé lidi fascinují a někteří jim přisuzují
magickou moc - že konkrétní číslo má vliv na určitou
charakteristiku člověka. Astrologie, numerologie, chiromancie,
irodologie, magické koule, vykládání karet ... a pod.,
patří do stejné kategorie pověrečných
"věšteckých" či "prorockých" technik
které nefungují, ale mnozí lidé jim
věří...
Alchymie
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 **) -
především vyrobit zlato - 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.
*) 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.
**) Alchymisté ovšem neměli potuchy nejen o atomech a jejich
jádrech, ale nerozeznávali ani prvky a sloučeniny. Látky
posuzovali podle jejich vnějších projevů a několika
jednoduchých chemických reakcí, které dokázali uskutečnit.
Metodami jaderné fyziky dnes dokážeme transmutace prvků
uskutečnit - jedná se o "Jadernou alchymii".
Od přelomu 17. a 18.stol.,
kdy feudalismus a církev ztráceli svou absolutní moc,
dřívější alchymisty - šarlatánské a často podvodné
"zlatostrůjce" ve službách bohatých a mocných -
postupně nahrazovali seriózní přírodovědci,
kteří se již nepachtili po receptu na výrobu zlata či
různých elixírů, ale snažili se proniknout do podstaty
stavby hmoty. To se nakonec podařilo v atomové a
jaderné fyzice a v chemii (viz Stavba
atomů).
Šarlatánství versus přírodověda
Pro mylné, nedůvěryhodné či podvodné myšlenkové směry a
jednání lidí se vžil název šarlatánství.
Tento název podle literárních pramenů pochází z italského
slova "ciarlatano", označujícího obyvatele
městečka Cerreto, odkud v 15.stol. pocházelo několik
význačných kouzelníků a dryáčníků. Ve francouzštině se
pak slovo "charlatan" začalo používat pro
nedůvěryhodného léčitele a podvodníka, používajícího
neověřené a medicínsky neuznávané praktiky. Obecněji pak i
pro další tlachaly, šejdíře, podvodníky...
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, kvantovém vědomí,
megalytické legendy, homeopatie a alternativní
medicína. Jsou častou součástí myšlenkového směru
zvaného esoterika (srov.
pasáž "Smysl jevů a událostí" v eseji "Věda a víra"). Při této příležitosti učiníme stručnou zmínku
o těchto znepokojivých omylech, ba i podvodech,
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, ohánějí se nejnovějšími fyzikálními
teoriemi kvantovými, holografickými, relativistickými - aby
jim laická veřejnost věřila. Mluví, aniž
vědí co to je, o kvantech energie, gravitonech,
sjednocených interakcích, informačních polích,
relativistických efektech, tachyonech a nadsvětelných
rychlostech a o 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 mylným 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.
Šarlatánství a podvody se
nejčastěji vyskytují v oblasti zdraví a nemoci, v léčitelství
- zázračné prostředky a metody, které umí
vyléčit všechny nemoci, od rakoviny až po AIDS. Ať již jsou
to prostředky farmakologické (univerzální
"zázračné léky"), nebo fyzikální -
různé biolampy, magnety, generátory elektromagnetických
frekvencí či nějakých záhadných polí a pod. Použití
těchto metod, jakož i psychotroniky a homeopatie v medicíně
někdy může subjektivně vyvolat zlepšení zdravotního stavu placebo-efektem;
nebo se může jednat o pouhou náhodu (i bez léčení by si organismus "pomohl
sám")... U závažných onemocnění
však jejich použití přináší riziko, že
při čekání na domnělé účinky dojde ke zpoždění
účinné léčby, čímž může být zdraví pacienta nevratně
poškozeno.
Kvantové
vědomí, kvantová medicína
Oblíbeným nástrojem fiktivních směrů jsou koncepce a
poznatky kvantové fyziky. Tento fyzikální
obor je totiž dostatečně tajemný (příp. ve spojení s teorií relativity) a lidské vědomí je rovněž zahaleno tajemstvím,
takže podle názoru některých lidí by měly mít něco společného.
Pod společným názvem "kvantové vědomí"
či "kvantová mysl" se rozumí
skupina hypotéz navrhujících domnělé kvantově-mechanické
jevy ve funkci mozku pro vysvětlení myšlení a vědomí. Hned
po vytvoření kvantové mechaniky v pracech Plancka, Bohra,
Schrödingera, Heisenberga, Pauliho a dalších (viz např. "Kvantová
fyzika"), se kvantová teorie stala atraktivní možností pro
vyřešení filosoficko-epistemického konfliktu
mezi strohým determinismem klasické fyziky a
naší vědomou svobodnou vůlí : kvantová náhodnost
může otevřít nové možnosti svobodné vůli. Ve většině
diskusí o vztahu kvantové fyziky a vědomí se základní
myšlenky kvantové teorie přijímají čistě metaforickým
způsobem, jen jako analogie, bez relevantního odkazu na jejich
fyzikální význam. Mohou tak vznikat zajímavé sci-fi
představy, které jsou však nepřesvědčivé a vědecky
mylné. Kvantově-mechanické termíny jsou často používány
pro snahu o větší přesvědčivost - aby přidaly
"vědeckou váhu" subjektivním hypotézám.
Nejnovější hypotézu tohoto druhu vytvořili
R.Penrose a S.Hameroff, kteří v mozku předpokládali buňky
či struktury s "kvantovou citlivostí", jejichž
prostřednictvím je do činnosti mozku zapojena kvantová
mechanika. Hameroff navrhl hypotézu, že vhodnými
strukturami pro kvantové chování jsou mikrotubuly
(o mikrotubulech viz např. "Buňky
- základní jednotky živých organismů", pasáž "Cytoskelet - kostra a
nositel funkcí buňky"),
které tvoří cytoskelet buněk, tedy i neuronů, kde mohou
zprostředkovávat synapse. V jejich pravidelných mřížkách
tubulinového proteinu by mohly probíhat kvantové vibrace,
přičemž koherentní superpozice tubulinových stavů by mohly
zasahovat do mnoha neuronů. Odborníci v oblasti biochemie,
molekulární buněčné biologie a neurobiologie jsou však k
této funkci mikrotubulů skeptičtí.
Simultánní kvantový kolaps těchto
mikrotubulinových stavů je interpretován jako "individuální
elementární akt vědomí". Penrose tento akt
připisuje "kvantové gravitaci", která
zatím nebyla vytvořena. Z hlediska unitárních teorií pole
však kvantová gravitace působí na mnohem menších
prostorových měřítcích než jsou rozměry molekul
mikrotubulů, takže případné jejich kvantové stavy naprosto nemůže
ovlivnit.
Podobných irelevantních konstrukcí, jako jsou třebas
twistory, se zde vyskytuje víc, zřejmě pro dodání větší
"vědecké váhy" těmto spekulacím...
Vznikla zde i myšlenka, že po fyzické smrti
člověka se kvantové informace z mikrotubulů neztratí, ale
zůstanou zabudované do "informační" struktury
vesmíru jako jakési "protovědomí"..?.. To je již
úplně v oblasti sci-fi..!.. Hypotéza kvantového vědomí se
často (avšak neoprávněně) dává do souvislosti s halucinačními zážitky
lidí, kteří prošli klinickou smrtí ale navrátili se k
životu. Tyto často popisované typické zážitky jsou ve
skutečnosti patrně způsobeny změněnou činností mozku ve
stavu hypoxie při zástavě krevního oběhu. Vztahy mezi hmotou
a vědomím jsou stručně diskutovány v pasáži "Duše
a hmota" práce "Antropický
princip aneb kosmický Bůh".
Navzdory obsáhlým pojednáním a velkému
úsilí Penrose *) a Hameroffa není jejich
hypotéza přesvědčivým modelem fungování mozku ani
vysvětlením podstaty vědomí a mysli. Vychází z neověřených
a diskutabilních předpokladů fyzikálních i
neurobiologických. Mikrotubuly v buňkách se na funkci
neuronálních sítí v mozku patrně významněji nepodílejí.
Pro skutečné vysvětlení lidské mysli a vědomí zřejmě není
nutno používat rekvizity kvantové mechaniky.
Kvantová fyzika funguje na molekulární a atomové úrovni
všude v přírodě, v našem běžném životě, avšak při
chování makroskopických objektů - kterými jsou i mozkové
neurony a jejich sítě - se kvantové efekty nijak neuplatňují.
Vědomí se pravděpodobně algoritmicky - kombinatoricky -
vynořuje z obrovské složitosti signálnách propojení mezi
miliardami neuronů v mozkové síti...
*) Pozn.:
Je těžko pochopitelné, že tento "úlet" se
přihodil vynikajícímu fyzikovi Rogeru Penroseovi, který se
dříve po mnoho let velmi úspěšně zabýval výzkumem v
oblasti černých děr a kosmologie. Spolu s S.Hawkingem
vytvořili důležité teorémy o prostoročasových horizontech
a singularitách (§3.8 "Hawkingovy a Penroseovy teorémy o
singularitách"). Ostatně, jeho
spolupracovník a přítel Stephen Hawking rozhodně odmítá
hypotézy o "kvantovém vědomí"! Nevyzpytatelné jsou
cesty lidské mysli...
Z hypotéz o kvantovém chování vycházejí i
další fiktivní tvrzení "kvantové medicíny",
podle nichž je tělo kvantově složeno z energie a informací,
na které má vliv kvantové vědomí. Kvantové léčení proto
může vyléčit jakékoli nemoci na základě stavu
mysli člověka..?.. Někteří šarlatáni dokonce
tvrdí, že takto dovedou léčit i na dálku..!..
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 ""Nová" a
"stará" fyzika - kontinuita vědeckého poznání" a "Vědění:
zkušenost + věda.
Informovanost - vzdělání - moudrost." v monografii "Jaderná fyzika a fyzika
ionizujícího záření".
Toto
všechno by ve fyzikálně orientovaném pojednání vůbec nestálo
za zmínku, kdyby se v posledních letech tyto iracionální
představy stále více nešířily (a hodně lidí jim věří)..!..
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. §5.4 "Standardní
kosmologický model. Velký třesk. Formování struktury
vesmíru.").
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 (nynější atomová a
jaderná fyzika se na to již dívá jinak...). 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 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 možná 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 přírodní
filosofie. 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 (doba "intelektuálního
temna"); 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 obíhajících
planet; Země se kromě toho otáčí s denní periodou kolem
své osy, což tvoří zdání, že všechna
vesmírná tělesa, hvězdy a planety, kolem ní obíhají. 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 absenci 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 (§1.6, pasáž "Newtonova klasická mechanika"). 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".
Dílem I.Newtona skončila v lidském
poznání předvědecká doba mylných dohadů a dogmat a
nastupuje období vědeckého
zkoumání,
precizních experimentů a logického myšlení. Newtonovská
fyzika též umožnila nový realističtější pohled na
vesmír.
Pozorování
vesmíru dalekohledy - teleskopická astronomie
I z běžného života víme, že to co je příliš vzdálené
dobře nevidíme, nerozeznáme detaily a o skutečné povaze
vzdálených předmětů se můžeme jen domýšlet. V ještě
větší míře to platí u vzdálených objektů ve vesmíru.
Poprve se jednoduchým vlastnoručně sestrojeným dalekohledem do vesmíru podíval G.Galilei v r.1610 a
byl překvapen: pozoroval krátery na Měsíci ("měsíční
hory"), Jupiterovy měsíce, fáze osvětlení Venuše,
Saturnovy prstence. Větší dalekohledy *) pak odhalily mnoho
hvězd prostým okem neviditelných, mlhoviny, nové planety
(Uran r.1781, Neptun r.1846), spirální "mlhoviny" -
galaxie během 19.stol. Nové nástroje umístěné do ohnisek
dalekohledů - fotografie a spektroskopie - vedly k úchvatným objevům
dříve netušených struktur ve vesmíru, obrovského množství
hvězd a připravily půdu astrofyzice ke zkoumání fyzikálních
vlastností hvězd a galaxií (viz níže
"Elektromagnetické záření - základní zdroj
informací o vesmíru").
*) Malé dalekohledy bývají často čočkové
refraktory - objektiv tvoří větší spojná
čočka s velkou ohniskovou vzdáleností, okulár
(sloužící jako lupa k pozorování obrazu vytvořeného
objektivem) je menší spojka či rozptylka s krátkou ohniskovou
vzdáleností. Optickou nevýhodou refraktoru je barevná
vada (chromatická aberace) - vlivem disperze světla je
ohnisková vzdálenost poněkud jiná pro různé vlnové délky
- barvy - světla. Kromě toho je technicky obtížné vyrobit
kvalitní čočky velkých průměrů. V r.1668 I.Newton sestavil
první zrcadlový dalekohled - reflektor, jehož
objektivem bylo konkávní zrcadlo vytvářející odrazem
světla obraz v ohniskové rovině. Reflektor nemá barevnou vadu
a kromě toho lze přesně vybrousit kulová či parabolická
zrcadla velkých průměrů (jejich deformacím se zabraňuje
mechanickým zpevněním "zezadu"). Proto jsou všechny
velké dalekohledy zrcadlové. Dalekohled o velkém průměru (apertuře)
shromažďuje více světla a proto můžeme pozorovat slabší a
vzdálenější objekty. Kromě toho větší teleskopy mají
lepší prostorové rozlišení, takže rozeznáme jemnější
detaily struktury vícenásobných hvězd, hvězdokup,
spirálních ramen galaxií, plynových mračen.
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 vzájemné silové
působení elektrických nábojů (nezávisle
se těmito pokusy zabývali Priestley a Robinson) a objevil základní zákon
elektrostatiky - Coulombův zákon (1.20b), podobný Newtonovu
gravitačnímu zákonu (porovnání
zákonů elektrostatiky a gravitace je podrobně rozebíráno v
§1.4 "Analogie mezi gravitací a elektrostatikou").
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 charakteru jako
"vybíjecí proud" vznikající po krátkou dobu při
vodivém spojení elektrostaticky opačně nabitých těles.
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 elektrickými obvody 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. A
magnetické pole zase silově působí na pohybující se
náboje, na elektrické proudy.
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 na
vzdálenosti. Tyto zákonitosti vedly ke konstrukci
"umělých magnetů" napájených elektrickým proudem
- elektromagnetů. Magnetismus permanentních magnetů později vysvětlila atomistika.
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
- neboli rychlost šíření elektromagnetických vln, či
rychlost fotonů - 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 (O.Roemer
v r.1685, c~225 000 km/s).
Avšak reálné změření
rychlosti světla s použitím pozemských zdrojů a
opticko-mechanických prostředků provedl H.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). Obdržel výsledek c~313 000 km/s.
J.Foucault v r.1850 k určení rychlosti
šíření světla použil rotující zrcadlo. Vyslané světlo
se odrazilo od otáčejícího se zrcadla směrem na nepohyblivé
zrcadlo vzdálené 18 metrů, a od něho se odrazilo znovu zpět
na rotující zrcadlo, které se mezitím pootočilo o určitý
malý úhel. Z úhlu pootočení paprsku Foucault stanovil rychlost
šíření světla na 298 000 km/s. A.Michelson pak v roce
1879 touto metodou zpřesnil měření na hodnotu
c~299 909 km/s a posléze v r.1929 dosáhl hodnoty
299 798 km/s.
V dalších experimentech bylo měření
rychlosti světla postupně dále zpřesňováno s použitím
laserové techniky, a též při měření pomocí laserového
odražeče na Měsíci. Nynější hodnota činí c=299
792,458 km/sekundu pro vakuum.
Pozn.
: V roce 1983 se
metrologové na 17.kongresu o mírách a váhách
usnesli, že rychlost světla bude definována jako přírodní
konstanta přesné hodnoty c=299 792 458 m/s.
A metr bude tedy odvozen od rychlosti světla ve vakuu:
1 metr je roven délce dráhy, kterou proběhne světlo ve vakuu
za 1/299 792 458 sekundy. Další zpřesňování měření
rychlosti světla tedy již neovlivní hodnotu c, ale
přesnou hodnotu vzdálenosti 1 metru.
V
látkových prostředích je rychlost světla - a obecně
elektromagnetického vlnění c´= 1/Öe.m - o něco nižší
než ve vakuu c = 1/Öe0.m0
, v závislosti na elektrické
permitivitě e a magnetické permeabilitě m látky (je analyzováno v §1.1, část "Elektromagnetické a optické
vlastnosti látek"
monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího
záření") a poněkud závisí
na vlnové délce světla (tzv. disperze). Např. ve
vodě rychlost světla pro červené světlo činí
(zaokrouhleně) 226 000 km/s, pro fialové 223 000 km/s. Ještě
pomalejší je v krystalech a ve skle. Ze všech přírodních
materiálů má nejvyšší index lomu diamant (n=2,42),
v němž rychlost světla činí jen 123 881 km/s - vede to k
výrazným optickým efektům lomu a odrazu světla v krystalech
diamantu, z čehož plyne jeho estetická obliba jako šperku.
Rychlost
světla ve vakuu 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 (§1.6 "Čtyřrozměrný
prostoročas a speciální teorie relativity") a tím i celé relativistické
fyziky.
Pozn.: Konkrétní
číselná hodnota rychlosti světla c není ničím
vyjímečná, je v podstatě dána jednotkami
zvolenými pro délku [m] a čas [s]. V §1.6 a na mnoha
dalších místech našeho výkladu teorie relativity a gravitace
budeme často používat soustavu jednotek, ve kterých je
rychlost světla c=1.
Teoretický výsledek elektrodynamiky a
speciální teorie relativity, že rychlost fotonů ve vakuu je
přesně rovna c, platí pro rovinnou neomezenou
vlnoplochu elektromagneticého záření. Pokud je však svazek
záření zúžen v příčném směru (vlnoplocha je prostorově
omezena), začínají se uplatňovat kvantové relace
neurčitosti, vedoucí m.j. i k fluktuacím rychlosti
fotonů ve vakuu (tyto jemné rozdíly je
obtížné změřit).
Jak rychlá je gravitace ?
- neboli jak dlouho to trvá, než změna gravitace jednoho
tělesa začne působit na druhé (vzdálené) těleso?
Zjednodušeně si to můžeme přiblížit na příkladu naší
Země, kterou na její oběžné dráze poutá gravitační síla
Slunce. Kdyby, hypoteticky, Slunce svou přitažlivostí náhle
přestalo působit ("ďábel by ho naráz ukradl"),
pohyb Země by se z elipsy změnil na přímku, směřující do
vzdáleného vesmíru. Za jak dlouho po odstranění Slunce by
však k tomu došlo? Okamžitě? - jak
předpokládá klasická Newtonovská představa okamžitého
působení na dálku, podle níž se gravitace šíří nekonečně
rychle. Nebo až za asi 8 minut, což je přibližně
doba po kterou k nám letí sluneční paprsky? Nebo za nějakou
jinou konečnou dobu?
Z hlediska nastíněného spekulativního
příkladu je to jistě bezvýznamná otázka. Hodnota rychlosti
gravitace má však zásadní vliv na jevy ve
vzdáleném vesmíru - v astrofyzice a kosmologii
*). Kdyby gravitační síla působila na jakoukoli vzdálenost
okamžitě, probíhal by vývoj vesmíru zcela jinak, než kdyby
gravitace ovlivňovala všechna hmotná tělesa se zpožděním
daným její konečnou rychlostí. Tuto otázku si nastíníme
nejprve v závěru §1.2, část "Modifikace Newtonova
gravitačního zákona",
hlavně však v §2.5 "Einsteinovy rovnice
gravitačního pole" a v §2.7 "Gravitační
vlny",
kde v pasáži "Jak rychlá je gravitace?" budou krátce diskutovány i obecné otázky
rychlosti šíření změn v gravitačním poli a možnosti
jejího experimentálního stanovení. Uvidíme, že
"rychlost gravitace" je stejná jako "rychlost
elektromagnetismu", t.j. změny v gravitačním poli se
šíří rychlostí světla, stejně jako
rozruch v elektromagnetickém poli.
*) Kromě toho možná i ve vícedimenzionální
"bránové" teorii superstrun (§B.6
"Sjednocování fundamentálních interakcí.
Supergravitace. Superstruny.",
pasáž "Další dimenze, M-teorie,
11-rozměrná teorie superstrun"), kde
předpokládané gravitační působení mezi branami nemůže
být okamžité..?..
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 a jaderná
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.
Aplikací laboratorních poznatků atomové a
jaderné fyziky na jevy probíhající ve vesmíru vznikla jaderná
astrofyzika, která objasňuje původ záření ve
vesmíru, evoluci hvězd, uvolňování energie
termonukleárními reakcemi v nitru hvězd, vznik prvků
nukleosyntézou kosmologickou a stelární (§4.1
"Úloha gravitace při vzniku a evoluci hvězd"), dramatické události
výbuchu supernov (§4.2 "Konečné
fáze hvězdné evoluce. Gravitační kolaps").
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 (podrobněji
"Buňky - základní jednotky
živých organismů").
Důležitou okolností pro správné chápání
života bylo opuštění tzv. vitalismu - předpokladu,
že složité "organické" látky vznikají působením
jakýchsi specifických "vitálních sil", které jsou
vlastní pouze živým organismům (jsou odlišné od sil
ovládajících neživou přírodu). Pečlivé
fyzikálně-chemické výzkumy s naprostou jistotou ukázaly, že
ani jeden atom v jakémkoli živém organismu se nijak
neliší od příslušného atomu v neživé
"anorganické" přírodě. Rovněž všechny složité
"organické" molekuly v organismech mohou být (aspoň
v principu) připraveny syntézou anorganických atomů
vodíku, uhlíku, kyslíku, dusíku, síry, fosforu a příp.
dalších. To, co činí organismus živým, není nějaká
tajemná "životní-vitální síla", ale úžasná
kombinace a souhra nesčetných chemických a biofyzikálních
procesů, které se v živém organismu odehrávají. Je to
způsobeno především schopností uhlíku
vytvářet neobyčejnou rozmanitost sloučenin. Atomy uhlíku se
mohou spojovat navzájem a s jinými atomy nejen do jednoduchých
molekul (lineárních nebo cyklických), ale i do řetězců,
které mohou mít stovky, tisíce až miliony článků -
vytvářet makromolekuly. Při zástavě
životních funkcí - smrti organismu - se žádný z jeho atomů
"neztratí", ztratí se jen koordinace zmíněných
složitých procesů; a mnohé složité "organické"
molekuly se posléze rozloží na jednodušší.
Biologické děje v buňkách i v celém
organismu jsou tedy 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.
Pozn.: Nesoulady
v experimentech a pokrok v přírodovědném poznání
Experimenty, které popírají dosavadní dobře ověřené
poznatky, jsou téměř vždy chybné - bývají
důsledkem měřících chyb nebo skrytých rušivých a
zkreslujících vlivů. Čas od času se však ukáží jako správné
- a pak otvírají cestu k výraznému pokroku v našem
chápání přírody! Ke zobecnění a zpřesnění
dřívějších zákonitostí, někdy i k vytyčení nových
obzorů a koncepcí.
Nové pojetí síly ve
fyzice
Ústředním pojmem v klasické
fyzice je síla, která vystupuje v pohybových
zákonech jako příčina dynamických změn; umožnuje
předpovídat pohyby těles. Síla dobře funguje jako veličina
při matematickém popisu přírodních dějů, avšak
"fyzikální" definice podstaty síly není nijak
snadná (v klasické fyzice je tautologická - takže jsme zde
vlastně nevěděli, co je síla...). Moderní fyzika přinesla
dva pohledy na podstatu síly:
1. Obecná teorie relativity vysvětluje
gravitační sílu jako geometrický projev zakřiveného
prostoročasu: Každé těleso kolem sebe zakřivuje prostoročas
a v tomto "zdeformovaném" prostoročase se tělesa
pohybují po geodetických drahách. To vzbuzuje dojem silového
působení. Např. planety obíhají kolem Slunce ne proto, že
na ni působí "fyzikální" gravitační síla,
nýbrž proto, že Slunce ve svém okolní zakřivilo
prostoročas a oběžná (kruhová či eliptická) dráha je
"nejrovnější" dráhou v tomto zdeformovaném
prostoročasu.
2. Kvantová teorie pole vysvětluje vzájemnou
interakci částic tím, že tyto částice si neustále mezi
sebou vyměňují virtuální intermediální "polní"
částice. U elektromagnetické interakce jsou to fotony, pro
silnou interakci jsou polními částicemi gluony, u slabých
interakcí jsou to intermediální bosony W+,W-, Z0.
Je naděje, že tento poněkud
"schizofrenní" pohled na podstatu síly se v budoucnu
sjednotí v unitární teorii všech 4
interakcí. - "teorii všeho".
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
(je podrobněji diskutováno v §1.0 "Fyzika
- fundamentální přírodní věda", pasáži
"Metody
a nástroje zkoumání přírody",
monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího
záření")
Elektromagnetické záření - základní
zdroj informací o vesmíru
Prakticky veškeré informace o tělesech a procesech ve vesmíru
zatím 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").
Tato nová "mimo-optická" pozorovací
"okna" do vesmíru nás sice neuchvátí krásnými
barevnými obrázky mlhovin a galaxií (známých
z velkých klasických astronomických dalekohledů), ale poskytují nám velmi důležité informace o
strukturách a významných procesech ve
vzdáleném vesmíru, které jsou v optickém oboru neviditelné - viz níže "Další 'okna' do hlubin
vesmíru".
Astronomické
teleskopy
Dalekohledy pro pozorování vzdálených kosmických objektů
musejí být daleko "větší" než dalekohledy
používané v běžném životě zde na Zemi ("divadelní kukátka", triedry, lovecké
dalekohledy). Pro dosažení dostatečného
zvětšení musejí mít dlouhou ohniskovou vzdálenost
a pro zviditelnění velmi vzdálených či slabě zářících
objektů též vysokou světelnost - velký
průměr objektivu. Nynější astronomické teleskopy mají
průměr objektivu většinou cca 2 - 6 metrů, jejich objektiv
je zpravidla tvořen přesným parabolickým zrcadlem s
ohniskovou vzdáleností cca ....-... m. Tyto velké pozemské
dalekohledy poskytly od poloviny 19.stol., během mnoha
desetiletí, obrovské množství astronomických obrazů a
měřicích údajů, na nichž je v podstatě založeno naše
nynější chápání struktury vesmíru.
Teleskopy pozemské a vesmírné
I technicky sebedokonalejší teleskopy, umístěné zde na
zemském povrchu, mají však při pozorování kosmických
objektů dvě omezení, snižující jejich
výkonost :
1. Turbulence atmosféry ; rušivé světlo
Známá vizuální zkušenost při pozorování noční oblohy je
"třpyt" hvězd - jemné rychlé komíhání
jasu hvězd. Ve skutečnosti však hvězdy září naprosto
klidně a stabilně, s krátkodobě konstantním neproměnným
jasem (nemáme zde na mysli proměnné
hvězdy, což nastává v dlouhých časových intervalech). Ty pozorované jemné změny jejich jasu jsou
způsobeny atmosférickými turbulencemi vzduchu,
které neustále jemně rozkmitávají paprsky hvězdného
světla. Sebedokonalejší dalekohled, umístěný na zemském
povrchu, proto nikdy nemůže vytvořit dokonale ostrý obraz.
Dále,
rozptyl slunečního či měsíčního světla, světla z hvězd,
jakož i světelného "smogu" z umělého osvětlení,
v atmosféře vede k tomu, že nikdy se úplně nesetmí. To
nepříznivě snižuje kontrast obrazů z teleskopů -
omezuje schopnost pozorovat extrémně slabé objekty.
2. Absorpce záření
v atmosféře
Pro světlo a další elektromagnetické záření atmosférický
vzduch není úplně průzračný, část světla se
absorbuje a rozptyluje. Vlnové délky světla viditelného
našima očima představují jen malý zlomek rozsahu
elektromagnetických vln v přírodě a vesmíru.
Elektromagnetické záření kratších či delších vlnových
délek než viditelné spektrum může nést důležité
astronomické informace, ale mnohým z nich se nepodaří
proniknout zemskou atmosférou.
Obě tyto nevýhody pozemských teleskopů
odstraňuje jejich umístění do vesmírného prostoru,
mimo zemskou atmosféru. Těmto vesmírným teleskopům
pak nevadí mraky ani mlžné opary, žádné turbulence v
atmosféře, není zde rušivý "světelný smog",
sluneční světlo (střídání dne a
noci). Světelné pozadí oblohy je zde naprosto
černé, takže při dostatečně dlouhé expozici je možno
na obraze rozeznat i ta nejslabší nebo nejvzdálenější
tělesa. A jsou schopny měřit a zobrazovat všechny
vlnové délky, od radiovln, přes infračervené a
viditelné záření, UV, rentgenové i gama záření. I ty
vlnové délky, které relativně proniknou atmosférou (viditelné, rádiové), je pro
přesné a citlivé měření někdy výhodné detekovat
vesmírnými sondami. Mimo jiné se tím eliminují rušivé
vlivy záření přírodního a umělého původu. Příkladem je
měření reliktního mikrovlnného kosmického pozadí CMB,
které je tak slabé, že pozemské mikrovlnné teleskopy ho jen
těžko detekují na pozadí rušivých přírodních a umělých
signálů, avšak vesmírné sondy (WMAP,
Planck) ho podrobně zmapovaly - §5.4. pasáž "Mikrovlnné
reliktní záření - unikátní posel zpráv o raném vesmíru".
V současné době jsou ve funkci především 3
kosmické teleskopy :
- Především je to legendární Hubbleův vesmírný
dalekohled, vypuštěný v r.1990, který vesmír
zkoumá především v optickém a ultrafialovém spektru. Kromě
velkého množství astrofyzikálních dat poskytl i mnoho krásných
astrofotografií, které i širší veřejnosti pomohly
získat lepší představy o struktuře vermíru.
- Spitzerův vesmírný dalekohled vypuštěný
v r.2003 zkoumá vesmír především v infračerveném oboru.
- Vesmírný dalekohled Jamese Weba,
vypuštěný v r.2022, je též citlivý především na
infračervenou část spektra.
Astronomické teleskopy - kosmické
"stroje času"
Jednou ze základních vlastností světla
a každého elektromagnetického vlnění je jeho konečná
rychlost šíření c přibližně 300 000 km/s.
Na naše pozemské poměry je to rychlost velmi vysoká, takže v
běžném životě každý náš pohled nebo fotografický
snímek zachycuje okamžitou situaci, bez ohledu na
vzdálenost. V obrovských vzdálenostech kosmických objektů
však cesta světla vesmírem často trvá velmi dlouho. Proto
když se podíváme do vesmíru, nevidíme momentku, ale
historii ! U různě vzdálených objektů
vidíme situaci, jakou měly v různých časech.
Všechny astronomické teleskopy nám tedy
zobrazují světlo, které bylo vyzářeno v minulosti
- buď blízké (sekundy, minuty, hodiny -
pro objekty v naší skuneční soustavě),
nebo dávnější, podle vzdálenosti sledovaného objektu (roky, desítky, stovky, tisíce let pro hvězdy v
naší galaxii; miliony i miliardy let pro
vzdálené galaxie). Čím je objekt
vzdálenější, tím dříve se jeho světlo vydalo na cestu k
nám. Jsou tedy sondou do minulosti; s trochou
nadsázky je můžeme považovat za jakési "stroje
času", které nás virtuálně navracejí i do
dávné minulosti vesmíru - při pozorování velmi vzdálených
objektů to může být více než 13 miliard let! Fotony které
zachytíme našimi teleskopy, vedle vlastností pozorovaných
zdrojových objektů, nám mohou přinášet i informace o jejich
cestě vesmírem.
Zásadní
omezení: nedostatek fotonů !
Intenzita záření - tok fotonů - klesá s druhou mocninou
vzdálenosti od zdroje. Z velmi vzdálených zdrojů proto
přichází již velmi málo fotonů; i s velkými teleskopy je
pro získání dostatčně kvalitních obrazů často potřeba
expozice mnoha hodin. A i tak tyto obrazy často mají velký
statistický šum. Pořídit detailní obrazy slabších zdrojů,
např. malých planet kolem hvězd, v mezigalaktických
vzdálenostech je již zcela mimo možnosti - nemáme již
téměř žádné fotony, které bychom mohli
posbírat k vytvoření či zrekonstruování použitelného
obrazu.
Mohla by být naděje, že ve vzdálené
budoucnosti vyvineme kosmickou sondu, která tam zaletí a
pořídí kvalitní snímky. Ani toto bohužel není
možné. Jak je dikutováno v §5.1, pasáži "Nemožnost fyzického cestování do
vzdáleného - mezigalaktického - vesmíru", žádná sonda tak daleko
fyzicky nemůže doletět, rozruší a vypaří se nárazy
částic kosmického záření. Detaily ve vzdáleném vesmíru
nám asi zůstanou navždy nedostupné..!..
Elektromagnetické záření přináší z
vesmíru informace v zásadě dvojího druhu (třetí druh informace, zatím potenciální, bude
zmíněn níže v pasáži "Měření polarizace"), podle způsobů jeho detekce a
analýzy :
¨
Optické
zobrazení
Ve viditelném světle vidíme ve vesmíru horké
objekty jako
jsou hvězdy, žhavé plyny, jakož i objekty odrážející
světlo primárních zdrojů či zářících deexcitací
elektronových hladin atomů. 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 vizuální pozorování změny
jejich poloh v čase a jejich rychlostí není možné (viz však níže zmíněná Dopplerovská
spektrometrie).
Vizuální,
fotografické a optoelektronické zobrazení
V dřívějších dobách, do poloviny 19.stol., astronomové
trávili noci u svých dalekohledů, v jejichž okuláru
pozorovali svýma očima. Později, do poloviny 20.stol., byly do
ohnisek astronomických dalekohledů umisťovány fotografické desky a filmy, na nichž se po delší
expozici (někdy i několikahodinové) a vyvolání zobrazovaly i
velmi slabé objekty, prostým okem zcela nepozorovatelné. V
ohniscích nynějších velkých astronomických dalekohledů
jsou instalovány optoelektronické snimače obrazu (nejnověji na
bázi CCD elementů). Obraz se elektronicky zaznamenává v
paměti počítače a zobrazuje se na obrazovce, často se
používá počítačové
zpracování obrazů.
Infračervená
astronomie
Pozorování vesmíru prostřednictvím infračerveného
záření
(elektromagnetického vlnění o vlnových délkách větších
než 700nm, ale kratších než cca 1mm) je důležité ze dvou
důvodů:
1. Většina objektů ve vesmíru je poměrně chladná
a podle Planckova zákona září dominantně (nebo dokonce výhradně) v infračerveném
oboru elektromagnetického spektra. Jsou to např.
protohvězdy, rudí a hnědí trpaslíci, mlhoviny. Přechody
mezi rotačními a vibračními energetickými hladinami molekul
v chladných plynech jsou často v infračerveném oboru spektra
a infračervená spektrometrie umožňuje
poznávat chemické složení oblaků plynu kolem hvězd, planet,
v mlhovinách, mezihvězdném plynu.
2. Vlivem kosmologické expanze
vesmíru se veškeré záření ze vzdálených objektů
pro pozorovatele na Zemi posouvá do dlouhovlnné části
spektra. U těch nejvzdálenějších objektů se původní
fyzikálně vysílané vitelné světlo a UV záření prvotních
hvězd, a dokonce i rentgenové záření kvasarů, posune
natolik daleko, že se dostane až do oblasti
infračervené.
Infračervená astronomie se řadí do optické astronomie, neboť využívá stejné optické
zobrazovací komponenty - zrcadla, čočky. Jako detektory
zobrazeného IR záření se používají polovodičové
diody
(nejčastěji na bázi HgCdTe) nebo supravodivé bolometry (Mikrokalorimetrické
detektory). Pro oblasti od 1 do 4 mikrometrů je
atmosféra poměrně dobře propustná, takže pozorování lze
provádět ze zemského povrchu. Pro delší vlnové délky a
submilimetrové vlny je propustnost atmosféry velmi nízká a
pozorování je nutno provádět z kosmických
sond.
Radioteleskopické
zobrazení
Viditelné světlo tvoří jen velmi úzké okénko ve spektru
elektromagnetického záření a navíc oblaka mezihvězdného
prachu jsou pro videtelné světlo neprůhledná (světlo se zde
rozptyluje a pohlcuje). V tomto ohledu jsou výhodnější radiovlny vlnových délek řádově milimetry až
desítky centimetrů. Toto radiové záření hojně vzniká v
prostředí proudících plynů (s turbulencemi a rázovými
vlnami) mechanismy brzdného a synchrotronového
záření, při
pohybu nabitých částic v magnetickém poli vysokou rychlostí
po zakřivených drahách. Do rádiové submilimetrové oblasti
spektra je též díky expanzi vesmíru posunuto záření
nejvzdálenějších galaxií a reliktní
záření z
období oddělení záření od látky (vznik a vlastnosti
reliktního mikrovlnného kosmického pozadí jsou rozebírány
§5.4, pasáž "Mikrovlnné reliktní záření - posel
zpráv o raném vesmíru"). V
milimetrovém spektru pozorujeme chladný
vesmír jako
jsou oblaka molekul a prachová mračna.
Radiové záření je velmi dobře
měřitelné fokusovanými ("parabolickými") anténami
- radioteleskopy. Úhlová rozlišovací
schopnost je tím lepší, čím větší je průměr
přijímací antény. Pro pozorování záření vlnové délky
řádově milimetry (která je mnohem delší než u viditelného
světla), musejí být paraboly pro snímání tohoto rádiového
záření mnohem větší než u optických teleskopů, min.
100-krát větší než u optických dalekohledů se
srovnatelným rozlišením. Zvětšování velikosti antén má
však své technické meze. Velmi perspektivní je však metoda radioastronomické interferometrie: signál se přijímá zároveň
dvěma nebo více "spřaženými" anténami,
elektronicky propojenými v koincidenci, rozmístěnými na různých
místech ve větší vzdálenosti od sebe. Výsledný obraz se
získává elektronickou rekonstrukcí amplitud a fází
signálů z různých antén. Rozlišovací schopnost takové
interferometrické soustavy je dána vzájemnou prostorovou
vzdáleností přijímacích antén *), nikoli vlastní
velikostí těchto antén (na velikosti antén závisí pouze citlivost příjmu radiovln). Při rozmístění
antén do velkých vzdáleností (interferometrie
s velmi dlouhou základnou - plánované umístění antén na
různých kontinentech či dokonce ve vesmíru) lze dosáhnout
velmi dobrou úhlovou rozlišovací schopnost.
*) Úhlová rozlišovací schopnost je
dána poměrem vlnové délky přijímaného
záření ku délce základny - čím je
základna větší, tím jemnější detaily vzdálených
objektů se mohou zobrazit.
¨
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").
Pojem spektrum
zavedl v optice již I.Newton v 17.stol., když zjistil že
bílé sluneční světlo je směsí řady barev duhy. Vychází
z lat. spectrum = obraz, zjevení, přelud - obraz
něčeho, co není fyzicky přítomno.
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 v důsledku Doplerova jevu projevují příslušným
rozšířením či zdvojením spektrálních čar.
Spektrální analýza záření
přicházejícího k nám i z těch nejvzdálenějších
pozorovaných objektů ve vesmíru ukazuje, že tam zřejmě
platí tytéž zákony klasické a kvantové mechaniky,
elektrodynamiky, atomistiky, termodynamiky a gravitace jako zde
na Zemi. Ač se to nedá striktně
dokázat, toto nás opravňuje k přesvědčení, že fyzikální
zákony platí i tam, kam jsme se ještě
"nepodívali" - a snad dokonce i v místech, kam nikdy
nebudeme schopni dohlédnout..!..
¨
Měření
polarizace
Elektromagnetická vlna je příčná vlna v níž kolmo k sobě
a kolmo ke směru šíření kmitají vektory intenzity
elektrického pole E a magnetické indukce B.
Oba tyto vektory leží v rovině kolmé ke směru šíření a
spolu s Poyntingovým vektorem P (§1.5 "Elektromagnetické pole.
Maxwellovy rovnice.") tvoří pravotočivou soustavu. Vedle intenzity
(amplitudy kmitání E a B),
frekvence (vlnové délky) a fáze se elektromagnetická vlna
charakterizuje směrem, v jakém v rovině kolmé ke směru
šíření kmitají vektory E a B
(vzhledem k tomu, že jsou neustále k sobě kolmé, stačí
uvažovat jeden z nich, většinou se volí intenzita
elektrického pole E). Pokud mají v rovině
kolmé ke směru šíření vektory E
jednotlivých vln (paprsků, fotonů) jiný, v zásadě nahodilý
směr, jedná se o záření nepolarizované. V
opačném případě, kdy vektory E mají v
myšlené rovině, kolmo protínající svazek záření, stejný
směr, hovoříme o záření polarizovaném.
Pokud vektor E kmitá stále v jedné neměnné
přímce, nazývá se lineární polarizací. Jestliže
konce vektoru E opisují kruh, mluvíme o kruhové
polarizaci, pokud obecněji opisují elipsu, jedná se o eliptickou
polarizaci.
Úplnou (dokonale 100%) polarizaci vykazuje pouze koherentní
záření - vlny o stejné frekvenci, stejného směru kmitání
a stejné fáze (nebo fázového rozdílu). Koherentní záření
vzniká především při stimulované emisi v laseru.
Ve většině běžných zdrojů záření (Slunce, plamen,
žárovka) probíhají elektromagnetické děje ve velkém
množství atomů a elektronů neuspořádaně, elektrická a
magnetická složka vznikajícího vlnění nahodile mění
směr, výsledné záření je nepolarizované. K
částečné, někdy i úplné, polarizaci světla dochází při
odrazu a lomu světla v optických prostředích.
Faradayovo stáčení
polarizace elektromagnetického záření
Při průchodu oblastí, kde je magnetické
pole a volné elektrony - jedná se o ionizovanou
plasmu - dochází
k interakcím elektromagnetické vlny s elektrony, které se v
důsledku magnetické Lorentzovy síly následně pohybují po
kruhových (spirálních) drahách. Tento proces - interakce+ re-emise - elektromagnetické vlny vede k
pootočení roviny její polarizace
o úhel Dj :
Dj = l2ň ne B cosf
ds ,
kde l je vlnová délka elektromag. vlny, ne
je lokální hustota volných elektronů v ionizovaném
prostředí, B je intenzita (indukce) magnetického
pole, f je úhel mezi paprskem a směrem
magnetického pole, s je dráha záření v daném
prostředí. Integruje ň se přes celou dráhu s
elektromagnetické vlny v ionizovaném prostředí.
Pozn.: Jméno
"Faraday" v názvu pochází z toho, že
M.Faraday se zabýval rotací v magnetickém poli, i když
elektromagnetické vlny tehdy ještě známy nebyly.
Tento jev se uplatňuje především v radioastronomii, kdy vlny ze vzdálených rádiových
zdrojů procházejí rozsáhlými vesmírnými oblastmi
obsahujícími řídkou ionizovanou látku - plasmu - v mezihvězdném či mezigalaktickém magnetickém poli. Pro různé vlnové délky je
stočení roviny polarizace různé, takže z těchto rozdílů
je možné odhadovat magnetické pole a elektronovou hustotu v
mezihvězdném prostoru. V určitých případech je možné
tento efekt použít i k určení vzdálenosti rádiových
zdrojů (pokud se za elektronovou hustotu a
hodnotu magnetického pole použijí známé hodnoty stanovené
jiným způsobem), jako doplňkovou metodu
v "žebříku" vesmírných vzdáleností (§4.1, pasáž "Stanovení vzdáleností vesmírných
objektů - základní podmínka astrofyziky").
Polarizace reliktního
mikrovlnného záření
Z astronomického hlediska může být perspektivní měření polarizace reliktního mikrovlnného
záření (vznik a vlastnosti reliktního mikrovlnného kosmického
pozadí jsou rozebírány §5.4, pasáž "Mikrovlnné reliktní záření - posel
zpráv o raném vesmíru"). Vlastnost polarizace mají elektromagnetické i
gravitační vlny. V
raném vesmíru, na konci éry záření, by mohlo ke
speciálnímu druhu polarizace reliktního záření (tzv. mód B) docházet působením primordiálních gravitačních vln generovaných při inflační expanzi velmi raného vesmíru (§5.5 "Mikrofyzika a kosmologie.
Inflační vesmír."). Tato budoucí možnost
měření, diskutovaná v §2.7, pasáž
"Měření polarizace reliktního mikrovlnného záření", by mohla odhalit důležité informace z
nejranějších období vzniku vesmíru.
Astronomické
teleskopy - "stroje času"
Vesmír je pro astronomicky používané 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?").
Astronomická pozorování a měření v
různých oborech elektromagnetického
záření (viditelné světlo, infračervéné, ultrafialové,
rentgenové, gama)
umožnila též stanovit vzdálenosti nejrůznějších objektů ve
vesmíru pomocí navazujících metod "žebříku"
kosmických vzdáleností - viz §4.1,
pasáž "Stanovení
vzdáleností vesmírných objektů - základní podmínka
astrofyziky".
Další "okna" do hlubin
vesmíru
Vedle světla a
ostatních pásem elektromagnetického záření k nám z
vesmíru přicházejí i jiné druhy částic a záření, které
mohou být (aspoň v principu, či v
budoucnosti) též
využity pro zkoumání struktur a dějů ve vesmíru. Mohou
sloužit jako nová pozorovací "okna"
do vesmíru,
která se zatím teprve zvolna "pootevírají", ale v
budoucnosti budou jistě velmi perspektivní! Tato nová
"okna" jsou tři a my si je zde zatím jen stručně
vyjmenujeme :
l Kosmické záření
(primární)
je vysokoenergetické záření vesmírného původu,
které je tvořeno z největší části protony
(88%), dále jádry hélia (10%) a dalších prvků (1%); obsah
různých jader v kosmickém záření zhruba odpovídá
zastoupení prvků ve vesmíru, jak se ustavilo v důsledku
prvotní a hvězdné nukleosyntézy. Z lehkých částic pak
rychlé elektrony a neutrina. Součástí kosmického záření
jsou i vysokoenergetické fotony záření gama. Vlastnosti a detekce kosmického
záření, mechanismy jeho vzniku, jakož i jeho vlivu na život,
jsou podrobně diskutovány v §1.6 "Ionizující záření", část "Kosmické záření" monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
Z hlediska astronomického použití má kosmické záření
jednu zásadní nevýhodu: elektricky nabité částice,
které zachycujeme, na své dlouhé cestě k Zemi působením
magnetických polích v rámci galaxie i v mezigalaktickém
prostoru, prošly velmi složité zakřivené dráhy,
čímž ze bohužel ztrácí směrová informace
o zdroji v němž vznikly. Pouze při velmi vysokých energiích
je zakřivení dráhy malé a částice si aspoň přibližně
drží svůj směr. Detekce a spektrometrie kosmického
záření by nám mohla přinášet užitečné informace o procesech
ve vzdáleném vesmíru, často o těch
nejbouřlivějších procesech při zániku hvězd gravitačním
kolapsem (výbuchy supernov) či akreci hmoty na černou díru (v
kvasarech).
Metody detekce a spektrometrie
kosmického záření, včetně možností jejich astronomického
využití, jsou diskutovány v části "Detekce a spektrometrie kosmického
záření" již výše zmíněného §1.6
"Kosmické záření".
l Neutrina
jsou pranepatrné částečky (s klidovou
hmotností blízkou nule), které nemají
elektrický náboj a nevykazují ani silnou jadernou interakci;
vykazují jen slabou interakci. Ta je natolik slabá a
krátkodosahová, že neutrina s látkou téměř
neinteragují a volně jí prolétají. Neutrina
v obrovském množství vznikají při řadě procesů ve
vesmíru - od leptonové éry při "velkém třesku",
přes termonukleární reakce ve hvězdách, až po výbuchy
supernov. Detekce a spektrometrie neutrin může mít význam pro
studium různých procesů zde ve vesmíru. Neutrina totiž,
díky své extrémní pronikavosti, jsou jediné částice,
které jsou schopné "vynést" informace
o jaderných a částicových procesech z nitra
masívních, rozsáhlých či kompaktních objektů, odkud
žádné jiné záření absolutně nepronikne. Detekce toku
solárních neutrin umožňuje testovat okamžitou intenzitu
termonukleárních reakcí v nitru Slunce (zvláště
proton-protonového cyklu). Ani vysoká hustota a tloušťka
plasmatu ve slunečním nitru nezabrání neutrinům opustit
prakticky okamžitě oblast svého zrodu a "vynést"
tak ven příslušnou informaci (na rozdíl od
fotonů, které se po statisíce let "prodírají"
plasmou, s postupnou degradací energie, z nitra k povrchu, než
se vyzáří; mohou nést informaci pouze o povrchových
vrstvách Slunce). Neutrina dále přinášejí
důležité informace o bouřlivých procesech ve vzdáleném
vesmíru. Jsou to především výbuchy supernov,
při nichž je emitováno kolosální množství neutrin
(elektronových ne). Reliktní neutrina,
pocházející z leptonové éry, mohou poskytnout důležité
informace o dynamice nejranějších fází vývoje vesmíru a
formování jeho struktury. Zásadní nevýhodou neutrin je velmi
obtížná detekce. Širší
využití možností poskytovaných neutriny je tak vázáno na zdokonalení
detekční techniky neutrin.
Vlastnosti neutrin a způsoby jejich
detekce jsou podrobně rozebírány v §1.2 "Radioaktivita", část "Neutrina
-
"duchové" mezi částicemi" knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
l Gravitační vlny
jsou časově proměnným (kmitajícím) gravitačním polem,
které se odpoutává od svého zdroje a šíří se do prostoru
rychlostí světla. Podle obecné teorie relativity se jedná o vlnění křivosti prostoročasu. Vznikají
obecně v každé fyzikální soustavě s časově
proměnnou distribucí hmoty. Vlastnosti gravitačních
vln, jejich vznik a možnosti detekce jsou podrobně rozebírány
v §2.7 "Gravitační vlny".
Nejvýznamnějšími permanentními (periodickými či
kvaziperiodickými) zdroji gravitačních vln ve
vesmíru jsou masívní tělesa, která kolem sebe obíhají
(obíhají kolem společného těžiště).
Mohutnými zdroji gravitačních vln mohou být soustavy kompaktních
gravitačně zhroucených objektů jako jsou neutronové
hvězdy nebo černé díry, které obíhají blízko sebe.
Dalším intenzívním zdrojem gravitačních vln může být gravitační
kolaps hvězdy, pokud probíhá nesymetricky.
"Srážka" dvou kompaktních objektů, zánik a
splynutí jejich těsného binárního systému, jakož i silně
nesymetrický gravitační kolaps, je doprovázen mohutným zábleskem
gravitačních vln, které odnášejí nezanedbatelnou
část celkové klidové hmotnosti. ...
Detekce gravitačních vln, změření
jejich frekvence a intenzity, spolu se zobrazením
směru
odkud přicházejí, umožní odhalovat důležité dynamické
procesy s kompaktními objekty, často jinými způsoby
neviditelné, včetně nejbouřlivějších procesů
gravitačního kolapsu a srážek neutronových hvězd a
černých děr. Možná též o dynamice
nejranějších fází vývoje vesmíru, kdy byl vesmír pro
všechny ostatní formy záření neprostupný, avšak z toho
období pocházející "primordiální"
gravitační vlny by mohly být v principu detekovány (zajímavá možnost nepřímé detekce primordiálních
gravitačních vln je zmíněna v §2.7, pasáž "Měření
polarizace reliktního mikrovlnného záření").
Gravitační vlny jsou nejobtížněji detekovatelnou
radiací. Možnosti
budoucí gravitačně-vlnové
astronomie
jsou diskutovány v §2.7, v části "Astrofyzikální význam
gravitačních vln".
Přírodní zákony, modely a fyzikální teorie
Zamysleme se stručně nad některými obecnými gnoseologickými aspekty odhalování přírodních
zákonitostí, vytváření jejich modelů a formulování
fyzikálních teorií. Některé další
aspekty tohoto druhu jsou diskutovány v §1.0 "Fyzika
- fundamentální přírodní věda"
knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
Řád a zákony v
přírodě
Ve starověku, kdy lidé neznali
příčiny a vzájemné souvislosti jevů a událostí v
přírodě (ani v lidském životě), dívali se na všechno antropomorficky a vysvětlovali si veškeré dění
pomocí bohů či démonů, kteří ovládají všechny
aspekty přírody a života - bohové Slunce, ohně, moře,
války, bouře atd.. Tito bohové byli podle jejich mínění
nevypočitatelní, lidé jim byli vydáni na milost a nemilost (mohli být příp. usmířeni pomocí obětí a
rituálů). Během
dlouhého procesu rozvoje poznání (který
začal již v době antického Řecka, kolem r.500 př.n.l. a
podíleli se na něm zvláště Thales z Milétu, Anaximandros,
Démokritos, Pythagoras, Aristarchos, Archimédes) se však čím dál více
prosazoval názor, že příroda se řídí určitými
neměnnými pravidly - přírodními
zákony,
které lze odhalovat. Lidé začali chápat, že příroda
(vesmír) má svůj vnitřní řád, který lze pochopit pomocí pozorování a přemýšlení o těchto
pozorováních. Že svět je poznatelný a lze mu porozumět bez odkazu
na mýty, náboženství a nepodložené domněnky, nýbrž na
základě spolehlivě zjištěných a pečlivě utříděných
poznatků.
Přírodní
zákon je
tvrzení, které popisuje určitý pozorovaný jev nebo skupinu
jevů a zobecňuje jej na další analogické jevy na základě
logických vývodů. Přitom složité jevy, v nichž
nepozorujeme přímou zákonitost, mohou být pochopeny pomocí
jednodušších zákonů a principů - tzv. redukcionismus (srov.
níže). Jednotlivé
přírodní zákony tvoří větší, vzájemně propojený systém zákonů; tento systém by měl být logicky konzistentní. V současné přírodovědě jsou
přírodní zákony formulovány většinou matematicky. Za jasně definovaných
podmínek musí platit bez výjimy. Při změněných podmínkách
nemusí zcela ztrácet svou platnost, ale mohou platit přibližně *).
*) Příkladem jsou Newtonovy zákony mechaniky, které platí s
vysokou přesností v běžných podmínkách každodenního
života, avšak ztrácejí přesnost, když se objekty pohybují
vysokými rychlostmi, blízkými rychlosti světla. Nebo
Archimedův zákon platí přesně pro "ideální"
kapaliny (v nichž se tlak šíří rovnoměrně všemi směry),
nacházející se v homogenním gravitačním poli; ve
viskózních kapalinách platí jen přibližně, v bahně
neplatí vůbec. A
samozřejmě je neplatný (či bezpředmětný) v beztížném
stavu.
Zákonitosti a náhody
v přírodním dění
Všude
ve vesmíru se hmota chová podle stejných
fyzikálních a chemických zákonů. Konkrétní chování,
průběh dějů a jejich výsledek, však závisí na
aktuálních podmínkách - ty se sice vyvinuly
též podle těchto přesných zákonů, ale často složitou
kombinací okolností, které již mají charakter náhody.
Vztahy mezi přesnými fyzikálními
zákonitostmi a úlohou náhodných okolností jsou podrobněji
analyzovány v §3.3, část "Determinismus
- náhoda - chaos ?". Úloha náhody při vzniku a evoluci života je
diskutována v práci "Antropický princip aneb kosmický
Bůh", pasáž "Vznik
a evoluce života".
Modely a fyzikální
teorie
Popisy jevů, příslušné fyzikální
zákony a vysvětlení (či pokusy o vysvětlení) jejich
podstaty a souvislostí s dalšími jevy, se shrnují do
širšího rámce názorového systému, učení či myšlenkové
soustavy - fyzikální teorie. Každá fyzikální teorie
vychází z určité základní představy či obrazu zkoumaných
jevů - modelu přírodní reality, který
vystihuje základní rysy zkoumaných jevů, avšak abstrahuje od
některých podružnějších, náhodných či rušivých vlivů.
Fyzikální teorie je pak vlastně model
+ soubor zákonů (většinou matematicky formulovaných),
které spojují tento model s výsledky pozorování nebo
experimentů.
Důležitost
idealizace a modelů pro vědecké poznání
Modely si vytváříme nejen ve vědě, ale podvědomně
i v běžném životě, abychom dokázali reflektovat a pochopit
složitý svět kolem nás. I při vidění
dostává náš mozek elektro-chemické signály po očních
nervech a v příslušném centru si vytváří mentální
obraz - model skutečnosti. Ve
fundamentální vědě však má zásadní gnoseologickou
důležitost:
l a) Nejprve koncepčně (programově, avšak uvážlivě -
s rozlišením, jaké jevy mají základní důležitost a které
jsou okrajové) zanedbáme ty aspekty přírody
(studovaného jevu), které je obtížné přesně pochopit a
popsat.
l b) Zbylé jednodušší aspekty detailněji prozkoumáme,
úspěšně vyřešíme a pochopíme - vytvoříme zjednodušený
avšak fungující model.
l c) Poté, co plně pochopíme jednodušší aspekty,
vrátíme se k těm složitějším a pokusíme
se je řešit na zdokonalené úrovni poznání, pomocí komplexnějšího
modelu.
Model či teorii
považujeme za správnou, resp. adekvátní, když splňuje
následující 4 kritéria (páté kritérium bude doplněno
níže):
¨
1. Je ve shodě se stávajícími
pozorováními a vysvětluje jejich výsledky.
¨ 2. Poskytuje jednoznačné
předpovědi o budoucích měřeních a pozorováních. Výsledky
těchto měření mohou model potvrdit nebo vyvrátit, podle toho
zda budou souhlasit či nesouhlasit s předpovědí modelu.
¨
3. Obsahuje co nejméně
libovolných volitelných parametrů, jejichž hodnoty neplynou z
teorie a musejí být uměle nastaveny tak, aby model odpovídal
experimentálním výsledkům.
¨
4. Je logicky jednoduchý,
"elegantní", přirozeně a věrohodně vysvětluje
podstatu jevů.
Ne vždy a pro všechny jevy se
daří takový ideální model nebo teorii vytvořit. Uvedená
kritéria "dobrého" modelu či teorie do značné
míry splňuje klasická mechanika a Newtonova
teorie gravitace
(v mezích své platnosti), relativistická
mechanika (v
inerciálních vztažných soustavách) a elektrodynamika (ta je dokonce univerzální).
Je zajímavé, že určité potíže s bodem 3. má tak úspěšná teorie, jakou je standardní model elementárních částic (rozebíraný v §1.5 "Elementární částice a urychlovače" knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"); obsahuje totiž desítky volných
parametrů (hmotnosti, náboje, spiny a
další charakteristiky různých částic), jejichž hodnoty nevyplývají z teorie
a musí být nastaveny na základě experimentálních dat, aby
model odpovídal výsledkům měření a pozorování.
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 tedy již zmíněný
redukcionistický přístup a snaha o jednotné
pochopení co nejširší třídy jevů - unitarizace.
V této souvislosti můžeme shora zmíněná 4 kritéria
adekvátní teorie doplnit pátým kritériem:
¨
5. Teorie by měla na jednotném
základě popisovat a vysvětlovat co nejširší třídu
přírodních jevů.
Tyto aspekty jsou podrobněji diskutovány v §B.1
"Proces sjednocování ve fyzice".
Duplicita a dualita
modelů a teorií
Jak
se během našeho poznávání přírodních zákonitostí modely
a teorie postupně vyvíjejí a zdokonalují, byla zformulována
řada modelů a teorií různých jevů a skupin jevů. Stává
se přitom, že dvě různé teorie dobře popisují tentýž
jev. Jak rozhodnout, která z nich je správná, či aspoň
"lepší"? Uveďme dva příklady:
l
Pohyb nebeských těles - planetární systém.
Kolem roku 150 Ptolemaios vytvořil geocentrický model
(systém) rozmístění a pohybu nebeských těles. Podle něj je
Země sférická, nehybná a leží ve středu vesmíru. Hvězdy
a planety kolem ní ve velkých vzdálenostech obíhají
rovnoměrně po kruhových drahách. 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. Geocentrický
systém s nehybnou Zemí vypadal docela přirozeně, neboť v
běžném životě necítíme, že by se Země pod našima nohama
pohybovala (nikdo si tehdy neuvědomil, že totéž se děje na
lodi rovnoměrně plující po klidné hladině jezera).
V r.1543 pak M.Koperník vypracoval alternativní heliocentrický
model, podle něhož nehybným středem vesmíru je Slunce a
planety kolem něj obíhají po (přibližně) kruhových
drahách. Země je jednou z planet, která se otáčí s
denní periodou kolem své osy, což tvoří zdání, že
všechna vesmírná tělesa, hvězdy a planety, kolem ní
obíhají. Pozorované pohyby Slunce a planet se tak
daleko jednodušeji a přirozeněji vysvětlí; již toto samo o
sobě preferuje heliocentrický systém.
Nejdůležitější je zde však to, že oběh planet kolem
Slunce se podařil zcela precizně vysvětlit pomocí Newtonova zákona
všeobecné gravitace + zákonů klasické mechaniky, z
nichž plynou Kepplerovy zákony oběhu planet. Lze tedy
říci, že Ptolemaiův geocentrický systém je mylný a
skutečnosti odpovídá heliocentrický systém *) - ovšem s
tím upřesněním, že Slunce je středem pouze naší
planetární sluneční soustavy, nikoli vesmíru.
*) V současné době se někdy vyskytuje
názor, že geocentrický a heliocentrický model jsou
rovnocenné, že nelze rozhodnout, který z nich je
adekvátnější. S tím nelze souhlasit! Zavedení dalších
"epicyklů k epicyklům" lze sice dosáhnout takového
zpřesnění, že geocentrický systém bude vyhovovat i
posledním přesným pozorováním. Nebo z hlediska principu
relativity můžeme k popisu vesmíru rovnoprávně použít
vztažné soustavy spojené se Sluncem nebo se Zemí, tj. z
pohledu stojícího Slunce nebo stojící Země. Zde se však
dostáváme do rozporu s výše zmíněnými kritérii 3.
a 4. adekvátního modelu. Zpřesňování
geocentrického modelu je spojeno s rostoucí složitostí a
nutností zavádění dalších volitelných parametrů, chybí
věrohodnost a vysvětlení podstaty takového chování. Z
čistě kinematického hlediska lze sice použít vztažnou
soustavu spojenou se Zemí (při astronomických pozorováních
ze Země to tak bohužel musíme dělat, se zaváděním
složitých korekcí), avšak při analýze pohybu planet jsou
rovnice jejich pohybu mnohem jednodušší ve vztažné
soustavě, v níž je Slunce vzato jako nehybný počátek.
Hlavně však je heliocentrický systém podepřen a odůvodněn
dynamikou gravitačních a odstředivých sil při oběhu planet
kolem Slunce - mechanismem, který velmi dobře vysvětluje
příčiny tohoto pohybu. Zkrátka "to tak
je"!
l
Teorie světla. Pomocí starší Newtonovy
korpuskulární teorie (světlo je tvořeno nepatrnými
pohybujícími se částečkami) lze dobře vysvětlit
přímočaré šíření světla v "paprscích" a v
podstatě i lom světla při průchodu z jednoho optického
prostředí do druhého. Nedovede však vysvětlit ohyb světla a
interferenční jevy (charakteristické světlé a tmavé
proužky či Newtonovy kroužky). Proto byla vytvořena
novější vlnová teorie světla, která všechny jevy
šíření, lomu, ohybu a interference světla dovede přirozeně
vysvětlit. A navíc sjednocuje optiku s elektrodynamikou:
světlo je elektromagnetické vlnění o velmi krátké
vlnové délce. Vlnová teorie světla byla potvrzena a zdálo by
se tedy, že korpuskulární teorie je nesprávná.
Avšak počátkem 20.stol. Einstein ukázal, že fotoelektrický
jev lze vysvětlit jedině tak, že na povrch kovu nebo na
atom dopadne kvantum světla - jakožto částice - a
vyrazí z něj elektron. Světlo se tedy chová jednak jako vlna,
jednak jako částice. Každá z obou teorií dokáže popsat a
vysvětlit některé vlastnosti světla a o žádné z nich nelze
tvrdit, že je "lepší" nebo
"reaálnější" než ta druhá. Vysvětlit tento
zdánlivý gnoseologický rozpor se podařilo až v korpuskulárně-vlnovém
dualismu kvantové fyziky, který se projevuje i u
elektronů a jiných částic (viz pasáž "Částicově-vlnový
dualismus" v §1.1 zmíněné knihy "Jaderná
fyzika a fyzika ionizujícího záření").
Zde je tedy situace úplně jiná než u geocentrického a
heliocentrického systému. Obě teorie se ukázaly stejně
správné a byly sjednoceny v duchu kritéria 5.
Na základě výše uvedených kritérií 1.-5. lze tedy v zásadě rozhodnout, který z
duplicitních modelů je "lepší" a adekvátnější.
Přesné a efektivní
přírodní zákony; redukcionismus
Cílem přírodovědy je neustálé hledání plného
porozumění sutečnosti a dokonalých předpovědí,
především pomocí přesných matematických modelů
reálného světa (v duchu klasické Newtonovy mechaniky). Tento
teoretický "ideál" však v praxi naráží na
obrovskou rozmanitost a složitost přírodních
jevů. Na úrovni mikrosvěta k tomu přistupuje stochastický
charakter kvantových zákonitostí,
korpuskulárně-vlnový dualismus, kvantové relace
neurčitosti. Na absolutní přesnost proto musíme v praxi
většinou rezignovat a v našem poznání
reality a schopnosti předpovědí připustit větší či
menší míru neurčitosti...
Každé těleso je složeno z atomů, takže
přesná teorie popisující jeho chování a pohyb by měla
zahrnovat pohyby a interakce všech jednotlivých atomů. Když
bychom podle této koncepce chtěli analyzovat např. pohyb
hozeného kamene, museli bychom vyřešit všechny rovnice
popisující gravitační působení mezi každým atomem kamene
a každým atomem Země, s obrovským počtem parametrů. To je
samozřejmě zcela nemožné. Mechanika postupuje jinak:
kámen modeluje pomocí idealizovaného hmotného bodu -
těžiště, o hmotnosti M rovné součtu hmotností všech atomů kamene a
analyzuje interakci tohoto hmotného bodu s celkovým
gravitačním polem Země, popsaným gravitačním zrychlením g. Toto je
nesrovnatelně jednodušší - jedna rovnice o dvou parametrech (v tomto případě vlastně jen o jednom parametru g, protože vzhledem
k univerzálnosti gravitačního působení pohyb nezávisí na
hmotnosti M), přičemž obdržíme výsledek
(dráhu vrženého kamene) s přesností naprosto postačující
pro daný problém.
Teorie, která adekvátně modeluje určité
jevy, aniž by detailně popisovala všechny procesy, které se
těchto jevů účastní a k nim vedou, se nazývá efektivní
teorie. Někdy se používá i název fenomenologická
teorie.
Na "efektivních zákonech" je
založena celá klasická mechanika
s koncepcí hmotného bodu. Studium mechanických procesů na
molekulární úrovni vedlo ke statistické mechanice a
termodynamice. Předpokládá se zde sice, že jednotlivé
částice se pohybují podle přesných zákonů Newtonovy
mechaniky, avšak v praxi by jejich použití pro větší
systémy bylo nesmírně složité a nemožné. Proto se na
přelomu 19. a 20. století zavedly statistické metody,
kde polohy a rychlosti jednotlivých částic byly nahrazeny
statistickými průměry (za předpokladu, že pravděpodobnosti
všech mikrostavů jsou stejné). Analytické metody používané
v Newtonovské mechanice tak byly nahrazeny metodami statistické
fyziky založenými na pravděpodobnosti; to se ukázalo
velmi úspěšné zvláště v oblasti chování plynů a
termodynamiky (kinetická teorie tepla).
Efektivními
teoriemi jsou dále nauka o pružnosti a pevnosti, hydrodynamika,
elektrodynamika a optika látkového prostředí. Ve
všech těchto fyzikálních oborech se zabýváme kolektivními
pohyby atomů a molekul a jejich kolektivními elektrickými
interakcemi, aniž analyzujeme všechny podrobnosti chování
jednotlivých atomů. Rovněž větší část astrofyziky,
která zkoumá pohyby planet, evoluci hvězd a galaxií, včetně
relativistické astrofyziky. Zde je však zajímavá okolnost,
že ve fyzice černých děr přechází přibližná
efektivní teorie v teorii přesnou (§4.5 "Teorém "černá
díra nemá vlasy"").
Důležitou efektivní teorií je chemie.
Podstata chemických reakcí je fyzikální - sdílení
elektronů atomového obalu při těsném přiblížení atomů a
v důsledku toho vznik přitažlivé elektrické síly,
vázající atomy k sobě, do molekul (podrobněji
"Interakce atomů - chemické slučování"). V nejjednodušších
případech dovede fyzikální chemie vazby atomů do
jednoduchých molekul podrobně analyzovat a matematicky popsat.
Nedokážeme ale vyřešit rovnice popisující interakce
složitých atomů a molekul. Chemie však vytvořila své efektivní
metody, které adekvátně popisují, jak se atomy a
molekuly chovají při vzájemných reakcích a vyjadřuje je
pomocí chemických vzorců a rovnic, aniž je nutno uvažovat
všechny podrobnosti elektromagnetických interakcí mezi atomy.
V moderní biologii - molekulární
biologii - se ukazuje, že veškeré děje v živých
organismech jsou založeny na velmi komplikovaných fyzikálních
a hlavně chemických (biochemických) reakcích mezi složitými
molekulami v buňkách. Kdybychom chtěli tyto životní pochody
přesně analyticky popsat, museli bychom znát fyzikální stav
mnoha biliónů-bilónů molekul v organismu a řešit obrovské
množství rovnic jejich interakcí. Chování živých
organismů je výsledkem tak složitých procesů s tak
obrovským množstvím parametrů, že je zcela nemožné je
exaktně fyzikálně popsat. Biologie však má své efektivní
metody jak zkoumat životní procesy na úrovni
subcelulární, buněčné i celého organismu, aniž je nutno
uvažovat všechny podrobnosti reakcí mezi jednotlivými atomy a
molekulami.
Gnoseologický postup, který se složitější
jevy snaží vysvětlit pomocí jevů jednodušších, se
nazývá redukcionismus. Je to základní
myšlenková platforma pokročilého výzkumu v oblastech
složitějších jevů, zvláště biologických. Biologické
děje se vysvětlují chemickými reakcemi a chemické reakce
zase fyzikálními interakcemi atomů. Základní fyzikální
zákony na klasické a makroskopické úrovni jsou deterministické
(z hlediska kvantové fyziky je to složitější). Chování
živých organismů se sice též vnitřně řídí fyzikálními
zákony, avšak celkově je výsledkem tak složitých procesů s
takovým obrovským množstvím parametrů, že je prakticky
nemožné ho předvídat (v deterministickém smyslu). Jsme v
zásadě "biologické stroje" a to co nazýváme
"svobodná vůle" je pouhou iluzí?; otázky determinismu verzus náhodnosti jsou podrobněji
diskutovány v závěru §3.3, část "Determinismus
- náhoda - chaos ?".
Z hlediska přesnosti námi poznávaných
přírodních zákonů si můžeme položit otázku: Co se stane,
když vezmeme přírodní zákony, které dokonale fungují v
laboratorních podmínkách a okolní nám dostupné přírodě a
extrapolujeme je do nejextrémnějších situací? Projeví se
nějaké drobnější odchylky, či dokonce hrubší nesouhlas?
Tyto otázky zkoumají experimenty s částicemi urychlenými na
vysoké energie a astronomická pozorování bouřlivých dějů
ve vesmíru.
Unikátnost a původ
fyzikálních zákonů
Při gnoseologické
analýze našeho poznávání přírodních dějů vznikají
dále přinejmenším tři otázky o fyzikálních zákonech :
1. Platí
stejné fyzikální zákony v celém Vesmíru, nyní v minulosti
i budoucnosti ?
2. Existuje jen jediný soubor
možných fyzikálních zákonů ?
3. Jaký je původ fyzikálních
zákonů ?
Ad 1: Spektrometrická analýza záření přicházejícího
i z těch nejvzdálenějších končin vesmíru ukazuje, že
přírodní děje probíhající zde na Zemi i v celém
pozorování dostupném vesmíru, se řídí stejnými
univerzálními fyzikálními zákony mechaniky,
gravitace, elektrodynamiky, atomistiky, jaderné fyziky,
termodynamiky, fyziky plasmy atd. Většinou předpokládáme,
že fyzikální zákony jsou stejné i v čase,
avšak přímé důkazy pro to nemáme. V nejranějších
etapách vývoje vesmíru možná docházelo k oddělování
jednotlivých interakcí od základní sjednocené interakce, pro
niž platily nám dosud neznámé zákony. Někdy se též
uvažuje o pomalé změně fyzikálních konstant s
časem, např. gravitační konstanty (viz např. §A2 "Bransova-Dickeova
teorie gravitace"), což se dosud rovněž nepodařilo prokázat.
Ad
2: Složitější je
druhá otázka, kterou je možno metaforicky (či z teologického
hlediska) formulovat jako: "Měl Bůh při stvoření světa
svobodu v tvorbě přírodních zákonů? - nebo je nutně musel
udělat takové, jaké jsou?". Z hlediska klasické fyziky
se zdálo, že může existovat jen jeden logicky konzistentní
soubor fyzikálních zákonů. Podle kvantové fyziky a
unitárních teorií pole, aplikovaných na kosmologii, však
nemá vesmír jen jednu možnou historii, ale může
existovat mnoho různých vesmírů s různými fyzikálními
zákony a hodnotami přírodních konstant (je podrobněji diskutováno v §5.5 "Mikrofyzika
a kosmologie. Inflační vesmír.", §5.7 "Antropický princip a
existence více vesmírů"
a §B6 "Sjednocování fundamentálních interakcí.
Supergravitace. Superstruny.").
Ad
3: Původ
fyzikálních zákonů se tradičně odkazuje do transcendentna,
na Boha, který je jejich tvůrcem. Tak je to možná s těmi
nejfundamentálnějšími zákony či východisky, z nichž
vycházejí unitární teorie pole. Konkrétní fyzikální
zákony, popisující jevy kolem nás, jsou však pravděpodobně
produktem bouřlivých dějů na počátku vesmíru,
kdy se formovaly základní pole, částice a vlastnosti
interakcí mezi nimi. A v různých vesmírech tomu může být
různě (§5.5 "Mikrofyzika
a kosmologie. Inflační vesmír.")...
Existence
objektivní reality
Klasická
přírodověda je založena na tzv. objektivním
realismu:
předpoladu, že existuje reálný "vnější" svět,
jehož vlastnosti jsou dané a objektivní - nezávislé na pozorovateli,
který jej zkoumá. Že všechny objekty existují
nezávisle na nás a mají určité dané fyzikální
vlastnosti, např. rychlost, hmotnost, elektrické působení
(náboj). A tyto vlastnosti budou mít objekty stejné, ať je
někdo pozoruje nebo ne.
Toto plně odpovídá naší zkušenosti
se všemi jevy v makrosvětě, popisovaném zákony klasické
fyziky. Složitější situace nastává v oblasti mikrosvěta - atomů a elementárních částic. Zde
proces "pozorování", resp. měření, nutně zasahuje
do chování mikročástic a mění jejich parametry. Měření
má totiž nutně charakter vzájemné
interakce
měřené částice s "testovacími" částicemi.
Nemůžeme tedy tvrdit, že mikročástice měla určitou polohu
a rychlost až do chvíle, kdy jsou parametry změřeny.
Měřená veličina nabyla příslušnou hodnotu až v okamžiku
měření - a v důsledku procesu měření. Nelze však
souhlasit s názory, přeceňujícími úlohu
"subjektivního pozorovatele" a zpochybňujícími
objektivní realitu jako takovou! Přírodní děje s
nespočetnými interakcemi částic a polí neustále probíhají
v přírodě a jejich výsledky jsou nezávislé
na nás.
Pouze naše občasné sondy do dějů mikrosvěta jsou zatíženy
principiálními kvantovými neurčitostmi. Není to však
důsledek našeho subjektivního zásahu jako pozorovatele, ale
vliv interakce s objektivně existujícími částicemi,
použitými pro pozorování či měření. Kvantová fyzika nepopírá objektivní realitu, jen poukazuje na některé
její pro nás neobvyklé a obtížně pochopitelné vlastnosti.
V
souvislosti s tím se někdy diskutuje, co vlasně znamená
"existovat"? Zda můžeme tvrdit, že
existují věci, které nevidíme, např. atomy, elektrony,
protony, kvarky. Tyto částice, které nemůžeme
"opticky" vidět, jsou však adekvátním
modelem, který vysvětluje spoustu pozorovaných
vlastností hmoty - vlastně všechny dosud známé vlastnosti. V
běžném životě třebas svítící body tvořící obraz na
televizní obrazovce (vakuové elektronce - katodové trubici):
jednotlivé elektrony sice přímo nevidíme, ale jsou
"zviditelněny" interakcí s molekulami luminoforu na
stínítku obrazovky. I ostatní subatomární mikročástice
dovede moderní fyzika nepřímo pozorovat, registrovat či
detekovat, často pomocí velice složité experimentální
techniky ("Detekce a
spektrometrie záření",
"Elementární částice a
urychlovače"). Oprávněně proto "věříme" že tato
mikročástice existují - nebo že jsou aspoň
velice užitečným adekvátním modelem...
Diskuse o
"existenci" někdy zabředá do planého
filosofování. Např. za běžné situace, že v místnosti
stojí pracovní stůl: jak víme, že ten stůl tam dál
existuje, když vyjdeme z místnosti a nevidíme ho? Můžeme se
vrátit a uvidíme ho na stejném místě. Ale co když stůl
zmizel (nebo ho někdo rozebral, rozpadl se) když z místnosti
odejdeme a zase se objeví (složí) na tomtéž místě když se
do místnosti vrátíme? To by byla jistě absurdní (i když v
principu možná) představa, která nesouhlasí se zkušeností
(třebas se svědectvím někoho, kdo v místnosti trvale
zůstal)...
Toto plané
filosofování jde někdy ještě dál a zvrhává se v agnosticismus,
nihilismus a subjektivní idealismus:
neexistuje nic kromě naší mysli a našich myšlenek, vnější
svět není reálný a objektivní, nýbrž se nám jen zdá.
Toto je oblíbené téma "kavárenských filosofů",
pijáků u piva, či "alternativců" různých
orientací. Z hlediska východní filosofie je reflektováno v
pojednání "Antropický princip aneb
kosmický Bůh", část
"Je svět objektivní, či subjektivní?". I
když nemůžeme exaktně dokázat existenci objektivní reality,
v našem životě, praktickém konání a poznávání, včetně
vědeckého výzkumu, je objektivní realita jedinou
možnou platformou !
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. Taková
"triviálnost" jako prostor a čas, se kterými se
setkáváme neustále a v jejichž rámci žijeme, nám i při
hlubší analýze uniká...
Pro
lidi ve starověku a středověku představoval veškerý prostor
- celý svět, vesmír - malý okrsek naší Země, který se dal
přehlédnout z nejbližšího kopce či obejít během pár
dní. Později se díky námořním plavbám tento omezený obzor
rozšířil a ukázala se skutečnost kulaté Země, na jejímž
povrchu žijeme. Představu o sluneční soustavě a obrovském
vesmíru, zabydleném hvězdami a galaxiemi, přinesla teprve
novodobá astronomie. Detaily prostorového uspořádání nitra
hmoty pak ukázala až současná atomová a jaderná fyzika.
A čas dříve vnímali cyklicky jako
periodicky se opakující střídání dne a noci a sled
ročních období - v kruhu se neustále vracejících
životních cyklů. Tato představa měla přírodně-agrární
kořeny, byla odvozena od čtyř základních období - po zimě
přichází doba, kdy raší rostliny a narodí se nová
zvířata, v létě vznikne úroda. Lidé měli představu, že
tento cyklus, jehož příčinu neznali (nevěděli nic o rotaci
zeměkoule a jejím obíhání kolem Slunce, či o rotaci
Měsíce kolem Země), je přirozenou a základní podstatou
světa a vlastností času. A za "hybnou sílu" všech
přírodních dějů považovali různé nadpřirozené bytosti a
božstva, sídlící ve stromech, vodě, horách, kamenech,
Slunci, Měsíci a pod. Tato božstva "oživovala"
svět. Po vyjasnění iluzórnosti cyklické představy času
se přírodověda řídí objektivní koncepcí lineárního
času.
Jak my lidé vnímáme prostor a čas ?
Základní informace o okolním světě získáváme pomocí
našich smyslů. Zvuk vnímáme sluchem, světlo
zrakem, tvar a teplotu předmětů hmatem, výpary některých
látek čichem. Máme ale nějaký smysl či receptor
pro mentální vnímání plynutí času (chronestesii)?
Neurofyziologie ukazuje, že přímý "časový
smysl" nemáme, ale mozek si jej
umí dodatečně či virtuálně vytvořit.
Nástrojem je paměť - více či méně
stabilní záznam ve struktuře neuronů v mozku. Pomocí našich
smyslů mozek registruje různé události jakožto vjemy,
které si zpracovává a sekvenčně je zapisuje do různých
vrstev neuronové sítě. Tímto sekvenčním
"adresováním" záznamů událostí v neuronových
sítích je v mozku kódováno jejich časové pořadí.
Sled a návaznost těchto záznamů
registrovaných událostí pak chápeme a prožíváme jako čas.
Mozek neustále porovnává události registrované smysly i
neuronální záznamy událostí dřívějších a třídí si je
z hlediska prostoru a času. Psychologická šipka času ("psychický cit pro běh času"), podle které lidská paměť určitým způsobem
reflektuje tu část událostí, která se nazývá minulostí,
je v naší psychice jasně odlišuje od budoucnosti. Lidská
mysl aktuálně vnímá přítomnost. Minulost, jako jedinečnou
a neopakující se, má uloženu v paměti a o budoucnosti si
může učinit určité představy a očekávání na základě
svých dřívějších zkušeností. Čas je tedy myšlenková
struktura, kterou si řadíme za sebou
jednotlivé události.
Toto naše mentální
prožívání času je značně subjektivní,
čas nám běží "různě rychle" v závislosti na
řadě okolností vnějších i vnitřních v našem mozku.
Zdánlivé "zrychlování" či "zpomalování"
času závisí na "hustotě zážitků" (zdá se nám, že při zajímavé činnosti čas rychle
ubíhá, zatímco při nudné schůzi se čas nekonečně
vleče...). Hodiny málokdy odměřují
tentýž čas, jaký teče v našem nitru... Naše vnímání
času si můžeme představit jako počet biologických
událostí probíhajících v našem těle s danou frekvencí -
"biologické hodiny". Čas je zakódován do
všeho živého. Vnímání času organismy je často
ovlivňováno biorytmy v buňkách, které se vyvinuly v
průběhu evoluce - "biologická šipka času"
(cirkadiální hodiny - rytmus střídání
světla a tmy - se vyvinuly již u nejjednodušších organismů). "Šipka času" neúprosně ukazuje, že
všechny organismy stárnou a nakonec umírají, nikdy tomu není
naopak (srov. "Cesty
časem: fantazie nebo fyzikální realita?").
Klasická fyzika objektivně pojímá čas v
podstatě jako řeku, která odněkud někam teče - u času je
to v zásadě od nekonečna do nekonečna (zatím
zde neuvažujeme kosmologická omezení).
Pro nás lidi je však čas jakási "mentální
dimenze" odrážející to, jak vnímáne svět v
našem mozku. Jedná se o jakousi psychologickou šipku
času. Další analýza je v §5.6, část ""Šipka
času".
Když stanovujeme čas pomocí ručiček hodin,
neměříme vlastně přímo čas, ale vzdálenost, jakou na
ciferníku při svém pravidelném pohybu urazily... V dalších
kapitolách této knihy uvidíme, že ve vesmíru nemusí čas
běžet všude stejně rychle, může být ovlivňován
gravitací či rychlostí pohybu, závisí na vztažné soustavě
a geometrii prostoročasu. Neexistuje nějaké jednotné
univerzální "teď" (určitá současnost), záleží
na tom, kde se pozorovatel nachází a jak se pohybuje. Čas je
"tvárná" veličina podobně jako prostor.
Prostor - prostorové
relace - vnímáme především pomocí zrakového
zobrazení světla, většinou světla odraženého od
hmotných těles. Světelný obraz, promítnutý čočkou našeho
oka na sítnici, se přes optické nervy přenáší jako série
elektro-chemických signálů do mozkového centra, kde se
zapisuje do neuronové sítě. V mozku si na základě těchto
informací vytváříme obraz reality, včetně prostorového
uspořádání objektů, v našem vědomí. Vizuální vnímání
prostoru je založeno na vlastnostech šíření
elektromagnetického vlnění (optických vlnových délek)
- přímočarém šíření vln ve vakuu, vzduchu či jiném
opticky homogenním prostředí, odrazu světla od těles a lomu
světla při přechodu do prostředí s jinou rychlostí
šíření světla.
Prostorovou informaci si, vedle optického
vnímání, často doplňujeme pomocí hmatu (což je ve své podstatě elektromagnetická interakce
elektronových obalů atomů zkoumaného předmětu a atomů
nervů našeho hmatu):
"osaháváním" si děláme představu o velikosti,
tvaru a prostorovém uspořádání těles. Tato mentální
představa a zkušenost prostoru se zakládá již v útlém
dětství (mají ji i vyšší živočichové) a umožňuje
orientaci a cílený pohyb v přírodě. Při aktuálním
pozorování se podvědomně používá srovnávání s
dřívějšími obrazy, máme schopnost domýšlet si např.
předpokládanou chybějící část obrazu či vkládat do
pozorování naše znalosti "jak by to mělo být".
Při pozorování jevů, s nimiž nemáme zkušenost (jako jsou
některé světelné jevy v atmosféře), však může docházet
k optickým klamům...
Hmotný svět, který vnímáme svými smysly,
má tři rozměry - rozlišujeme šířku,
délku a hloubku. Můžeme jít nahoru - dolů, doleva či
doprava, dopředu - dozadu; a také tyto směry kombinovat.
Prostor a
čas v přírodě
Ve fyzice i
ostatních přírodních vědách jsou prostor a čas základem
pro popis všech jevů. Tyto jevy se snažíme vysvětlovat
nějakými mechanismy, které fungují v prostoročasu. Samotný
prostor a čas však nikdy nevidíme přímo, na jejich existenci
spíše usuzujeme ze své každodenní zkušenosti.
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).
Existuje prostor a čas ?
Je třeba si uvědomit, že prostor a čas jsou pouhé abstrakce,
sloužící k vyjádření stavu a pohybů hmoty. Žádný
prostor ani čas fyzicky - "hmatatelně"
- neexistuje. Jsou to jen pomůcky které nám
usnadňují orientovat se ve světě, přírodě,
vesmíru. Dojem času a prostoru vyvolává distribuce a
pohyb hmoty - tvar, rozmístění a pohyb běžných
těles, interakce atomů a částic, různé hodnoty intenzit a
potenciálů fyzikálních polí a jejich změny (včetně příp. klidového stavu a neměnnosti v
určité vztažné soustavě). V celém
vesmíru není "fyzicky" nic jiného než hmota, která
se pohybuje či mění - žádný čas, žádný prostor; to jsou
jen veličiny kterými to popisujeme... Čas samostatně
neexistuje, vždy je součástí nějakého pohybu. A prostor je
vyjádřením pozičních vztahů hmotných těles. Srovnejme
níže "Operacionalistické pojetí
prostoru a času".
V průběhu dlouhého vývoje přírodovědy se
prostor a čas staly nejdůležitějšími fyzikálními
pojmy a byly pro ně stanoveny základní
fyzikální jednotky. V dávných dobách tyto jednotky
vycházely z antropocentrického pojetí (např.
palce a stopy pro délku). Později, když
lidé začali poznávat že žijí na Zeměkouli, se jednotky
délky začaly odvozovat z rozměrů Země (vznikla
jednotka 1 "metr"). A čas se obecně odvozoval od
střídání dne a noci (jednotka 1 den, 1 hodina), z
pozorovaných fází Měsíce (1 měsíc) a střídání
ročních období (1 rok). Tedy od rotace Země a
jejího oběhu kolem Slunce.
Úzká souvislost pohybu s časem vedla k
ustálení slovního spojení "plynutí času"
pro děje kdy se něco mění, stárne, stává se minulostí.
Nemyslí se tím, že by snad fyzicky "plynula"
fyzikální veličina čas, ale že daný děj se dá popsat
určitým časovým intervalem v němž se odehrává,
plyne. Je to trochu podobné jako u obvyklé slovní formulace,
že "určitým údolím či krajinou teče
řeka": je tím myšleno, že
daným říčním korytem teče voda (pod vlivem gravitačního spádu).
Tyto vžité formulace o plynutí času a
geometrii prostoru samozřejmě používáme na řadě
míst i v našem pojednání, přičemž však máme na mysli
jejich skutečný fyzikální obsah (především v klasické fyzice a STR - včetně
relativnosti vztažných soustav).
Složitější situace je v úvahách o obecné teorii
relativity, která ztotožňuje gravitaci se zakřiveným
prostoročasem. Gravitační pole má podle GTR také energii (§2.8 "Specifické vlastnosti
gravitační energie"), takže zakřivený prostoročas nabývá hmotnou
fyzikální povahu. V některých geometrických unitárních
teoriích pole se dokonce prostoročas
považuje za základní fyzickou "hmatatelnou"
entitu, ze které jsou složené ("zkondenzované") všechny částice a veškerá hmota (kapitola B. "Unitární teorie pole", "Geometrodynamika") - hmota je z prázdnoty utvořená... Z
gnoseologického a filosofického hlediska může být obtížné
se s tím vyrovnat..!..
Absolutní prostor a čas
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 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".
Newtonův trojrozměrný
absolutní prostor je prostředím naší každodenní
zkušenosti. Máme pocit vzdálenosti či blízkosti, délky,
šířky a výšky. Díváme či pohybujeme se zleva doprava, od
východu k západu, ze severu na jih, shora dolů. Každý z
nás, ať se pohybujeme naším prostředím různým způsobem a
rychlostí, vnímáme prostor zcela stejně. Všichni se na
základních aspektech prostoru shodneme jak intuitivně, tak i
při provádění přesných měření.
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". Čas
bývá často srovnáván s jednosměrným tokem řeky, kde pohyb
zpět není možný. Tato představa přetrvávala od antiky,
přes středověk až do začátku 20.století.
Newtonův absolutní čas je
vyjádřením naší každodenní zkušenosti se směřováním
jevů a událostí. Plyne neúprosně kupředu *) jak stárneme a
vidíme mnohé věci zanikat, umírat naše blízké, jiné věci
pak vznikat či rodit se. Je to čas, jehož plynutí je
vnímáno všemi lidmi stejně, podřizují se mu pohyby planet,
rotace Země a z ní plynoucí střídání dne a noci, jakož i
zdánlivé pohyby hvězd.
*) Směřování času je z fyzikálního a
kosmologického hlediska diskutováno v §5.6, část "Šipka času".
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).
Podle teorie relativity je prostor a
čas relativní a závisí na hmotnosti a
rychlosti. Různě pohybující se hmota může
"vytvořit" různý prostor a čas - prostor a čas
jsou výsledkem určitých fyzikálních procesů. A vlastním
důvodem zavedení pojmů prostor a čas
je, aby bylo možné posuzovat pohyb hmoty -
pohyb částic a změny polí.
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:
Exaktní
(ideální) měření prostoru a času
Pro přesné měření fyzikálních veličin je třeba
používat takové metody, pomůcky a přístroje, které
dostatečně citlivě reagují na měřenou veličinu a přitom nejsou
ovlivňovány ostatními vlivy a okolnostmi měření.
Pokud toto není splněno, musí být aspoň možná přesná korekce
na tyto rušivé a zkreslující vlivy. Pro měření prostoru a
času ve fundamentální fyzice, zvláště v teorii relativity,
se zavádějí idealizované hodiny a měřící
tyče:
Ideální hodiny
jsou takové kalibrované hodiny, jejichž rychlost chodu
(frekvence použitého periodického děje) není ovlivňována
žádnými neuniverzálními vlivy jako je teplota či
působící síly. Naprosto nepoužitelné by zde tedy byly
kyvadlové nebo přesýpací hodiny (jejichž rychlost chodu je
přímo dána tíhovou silou, v beztížném stavu se zastaví);
podobně i jiné mechanické hodiny by mohly být ovlivňovány
mechanickými deformacemi jejich konstrukčních dílů. Za
nejvhodnější z tohoto hlediska jsou považovány elektronické
oscilátory a atomové hodiny.
Ideální měřící
tyče
jsou taková délkově kalibrovaná měřítka, jejichž délka
není ovlivňována žádnými neuniverzálními vlivy
jako je teplota nebo působící síly. Ideální meřící tyče
by tedy měly být z teplotně neroztažného materiálu,
dostatečně pevného a tuhého.
Pokud se nelze vyhnout vlivu neuniverzálních
faktorů, je na tyto neuniverzální vlivy nutno provést korekci.
V praxi se pro měření časů a délek většinou
nepoužívají přímo "hodiny" a "tyče",
ale složitější metody využívající elektromagnetického
záření - metody optické a radiolokační.
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. Hmotná tělesa - obecně každá distribuce polí, hmoty, energie - ve svém okolí
spoluvytvářejí (dotvářejí) vlastnosti
prostoru, v
němž se pohybují (§2.5 "Einsteinovy
rovnice gravitačního pole").
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 černé 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 propadávání zrníček písku v
přesýpacích hodinách. Až ve větších prostoročasových
měřítcích se chaoticky tam-zpátky poskakující časové
mikro-intervaly složí do plynulého jednosměrného toku času
a prostorová "pěnovitá" mikrostruktura se vyhladí
do kontinuálního prostoru s určitou metrikou.
Srov. též diskusi "Je
svět na nejhlubší úrovni spojitý či diskrétní?
" v §1.1
"Atomy a atomová jádra" monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího
záření".
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 | ||
