Obr.1.0.1. Široké spektrum velikostí objektů našeho světa, zkoumaných různými obory fyziky a přírodovědy pomocí různých nástrojů.
h1{font-size:18px;}
| AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie | Fyzika a nukleární medicína |
1.
Jaderná a radiační fyzika
1.0. Fyzika -
fundamentální přírodní věda
1.1. Atomy a atomová
jádra
1.2. Radioaktivita
1.3. Jaderné reakce
1.4. Radionuklidy
1.5. Elementární částice
1.6. Ionizující
záření
1.0. Fyzika - fundamentální přírodní věda
V této úvodní kapitole se pokusíme nastínit některé metodologické aspekty stavby fyziky a jejího začlenění do kontextu ostatní přírodovědy a vědeckého poznání vůbec. Tyto metodologické poznámky mohou být zajímavé např. pro studenty a zájemce nefyzikálních profesí, kteří si chtějí udělat ucelený obraz o fyzikálních aspektech zkoumání přírody. A možná mohou u některých čtenářů stimulovat radost z poznání, jak funguje náš překrásný svět a celý vesmír...
Příroda a její
zkoumání
Nebudeme zde explicitně definovat pojem příroda,
o němž má každý víceméně jasnou intuitivní představu.
Budeme se přidržovat univerzalistické koncepce,
že příroda je úplně všechno, co jest, co
má objektivní existenci. Je to tedy v
podstatě celý Vesmír s galaxiemi, hvězdami,
planetami včetně Země, naše pozemská příroda - hory,
řeky, moře, veškerá flora a fauna, všechny atomy a
subatomární částice kdekoli na Zemi i ve vesmíru. I my lidé
a buňky v našem těle se složitými biochemickými reakcemi,
všechny naše výtvory. Konec konců, i
některé "duševní" pochody a představy, pokud lze
(aspoň v principu) identifikovat a lokalizovat jejich
"zakódování" v neuronové síti mozku, lze zahrnout
do souhrnného pojmu "příroda".
V základech veškerého vědeckého zkoumání
leží proces kategorizace. Skutečnost, která
je ve své komplexnosti příliš složitá a různorodá *), si
rozdělujeme podle určitých kritérií na jednodušší skupiny
- kategorie, které zkoumáme zvlášť.
Výsledky zkoumání jednotlivých kategorií pak můžeme
zobecňovat a příp. syntetizovat - shrnout je
do obecnějšího rámce, zahrnujícího širší skupinu jevů -
celek. Analytický a syntetický přístup, ve své dialektické
jednotě, tvoří obecnou metodu vědeckého poznávání
skutečnosti.
*) Svět je plný "skrýší".
Věda se snaží z těchto skrýší "lovit" střípky
poznání a skládat je do mozaiky komplexního a objektivního
lidského vědění.
Neustálé zvídavé otázky "proč?"
nás mohou přivést až k základním principům přírody...
Vědění: věda + zkušenost
Vědění každého (vzdělaného) člověka vychází ze dvou
složek:
¨
Věda, poskytující objektivní, univerzální a
reprodukovatelné poznatky. Tyto sdělené poznatky však nemusí
být vždy správně pochopeny a interpretovány.
¨
Zkušenost, která může být sice subjektivní a
někdy i mylná, avšak pokud odráží realitu, může
poskytnout ostřejší a konkrétnější vhled do skutečnosti.
Jednota těchto dvou složek vytváří zdravý
a jasný lidský rozum, umožňující správně se
orientovat v dění našeho světa pomocí kritického
myšlení. Fyzikové a ostatní přírodovědci, jakož
i soudní lidé nejrůznějšího zaměření, věří jen v objektivní
pozorování, měření a na nich založené úvahy potvrzené
nezávislými pozorovateli a badateli. Nereprodukovatelná,
neověřená a sporná tvrzení ("Jedna
paní povídala", "Jurodivý génius
vyspekuloval") se nemohou stát
součástí vědeckého poznání..!..
Složitější situace je u jevů nepřístupných
našemu smyslovému poznání - jevy v mikrosvětě či velmi
vzdáleném vesmíru, kde se musíme spolehnout na zkoumání
pomocí přístrojových metod (zkumavky,
urychlovače, detektory, dalekohledy atd.) a naučit se
analyzovat, reflektovat a aplikovat takto zjištěná fakta.
Heroickým úsilím badatelů se podařilo pomocí těchto
složitých metod získat dalekosáhlé, dříve netušené,
poznatky o vnitřní stavbě hmoty i o struktuře
a evoluci vesmíru, které jsou
objektivní a "fungují"...
"Žebřík"
poznání
Postupné poznávání přírody, vesmíru, života se někdy
připodobňuje k žebříku, jehož
"příčkami" jsou dílčí objevy, výsledky
experimentů, astronomických pozorování. Avšak na rozdíl od
běžného žebříku, z něhož trháme ovoce ze stromů na
zahradě, konec tohoto "žebříku poznání"
nevidíme: další a další stupně se průběžně budují při
stoupání po žebříku poznání. Je otázka, zda někdy v
budoucnu narazíme na nějakou poslední, "konečnou
příčku žebříku poznání", nebo budeme tajemství
přírody a vesmíru objevovat jedno za druhým neustále..?..
Dosavadní zkušenost ukazuje, že každý nový stupínek
poznání a vyřešení určitého problému přináší nové a
nové otázky, často ještě hlubší a fundamentálnější...
Informovanost
- vzdělání - moudrost
Nynější svět je plný informací. Vědomosti na úrovni
informací však nemusejí ještě znamenat vzdělanost a
moudrost. Znalost sama o sobě může být prázdná.
Aby znalosti a informace získaly skutečný význam a hodnotu -
přešly ve vzdělanost a posléze v moudrost, musí být
uskutečněna komplexní několikastupňová cesta
poznání:
¨
Získávání faktických informací a znalostí -
studiem, komunikací s druhými, osobní zkušeností,
pozorováním, vědeckým výzkumem.
¨
Vnitřní pochopení těchto informací, hledání
jejich vzájemných souvislostí a zařazení do kontextu s
ostatními oblastmi.
¨
Uvedení poznatků a vědomostí do praxe, jejich
konfrontace s různými měnícími se okolnostmi.
¨
Klást si nové otázky o podstatě
těchto jevů a událostí, pokusit se najít vysvětlení.
Vyvodit z nich závěry užitečné pro "vlastní
duši" - pro svůj světový názor, vztahy
k přírodě a svým bližním.
Každá z
těchto etap skýtá i určitá rizika omylů a
zabloudění na zcestí. Např. u poslednho bodu se občas
stává, že na základě jen povrchního studia, částečného
poznání a nedostatečného pochopení, si ukvapeně vymyslíme
bizarní a chybné vysvětlení. Někteří lidé s nedostatkem
sebereflexe na těchto mylných koncepcích tvrdošíně
setrvávají; nazývají je "alternativní vědou"
(často se setkáváme s pracemi různých těch
"geniálních autorů" vyvracejících teorii
relativity či budujících dalekosáhlé "unitární
teorie" hmoty a vesmíru na bázi psychotroniky, různých
"energií", jemno a hrubo-hmotnosti a podobného
arzenálu nepochopených pojmů...) - viz též "Šarlatánství
versus věda", níže pak
"Nová" a "stará" fyzika
- kontinuita vědeckého poznání".
Mezilidské
vztahy jsou často založeny na zdůrazňování "vlastního
já", což nenechává dostatek prostoru pro porozumění a
naslouchání jiným, pro ocenění jejich předností a
zkušeností, které by mohly obohatit i ono "naše
já". Současný trend diktuje lidem, aby byli
informováni. Přemíra informací však často brání
jejich skutečnému pochopení a využití - je vlastně překážkou
k dosažení opravdového vzdělání a především moudrosti -
"méně je někdy více".
"Alternativní"
věda ?
Pod často používaným názvem "alternativní
věda" se mohou skrývat dva zásadně odlišné
přístupy:
¨
Různé
(alternativní) způsoby vysvětlení a
interpretace spolehlivě zjištěných jevů a skutečností,
které jsou odlišné od obvyklé převládající intepretace v
dané vědní disciplíně. Toto je naprosto legitimní
snaha o možné lepší vysvětlení analyzovaných jevů a
příp. předpověď nových jevů. Pokud se tato koncepce
neosvědčí, jsou její autoři "bez mrknutí oka"
ochotni ji opustit a připojit se k pravděpodobnější a
osvědčené teorii.
¨
Alternativa k vědě
- diametrálně odlišné názory laiků, založené
často na neúplném a nedostatečném pochopení daného
problému a snaze o jeho "úplně jiné"
jakoby "originální" vysvětlení.
Zde se většinou jedná o omyly, o pseudovědu,
na které její zastánci často tvrdošínně lpějí navzdory nesouhlasu
s experimentálními fakty ("Šarlatánství
versus věda").
Nedůvěra k oficiálnímu vědeckému
stanovisku může být někdy docela poctivě motivována. Pro
naše chápání přírody by jistě Newtonovská klasická
fyzika byla srozumitelnější než teorie relativity a kvantová
fyzika. Proč se příroda chová takto složitě? Bohužel,
skutečná příroda se řídí složitějšími zákonitostmi teorie
relativity a kvantové fyziky, s nimiž
nemáme z běžného života žádné zkušenosti.
Experimentální poznatky to ukazují naprosto nekompromisně!
Fyzika nikdy nevymýšlí zbytečně složitý popis a
vysvětlení objektivní reality, ale jen takový, který je
nezbytně nutný pro správné vysvětlení experimentálních
faktů. Pro intuitivní pochopení relativistických a
kvantových zákonitostí byly vyvinuty názorné modely,
které každému vzdělanému a přemýšlivému člověku
pomohou aspoň rámcově pochopit specifické zákonitosti
mikrosvěta a megasvěta, jakož i jejich úlohu ve fungování
naší přírody, života a Vesmíru.
Přesto se však někteří hloubavci (či
spíše "rozumbradové") neřídí osvědčeným
čínským příslovím "Přemýšlet bez studia
je nebezpečné!", bez patřičného
prostudování a pochopení neváhají zavrhnout veškeré
poznatky dosažené usilovnou prací celých generací
erudovaných odborníků a snaží se za každou cenu prosadit
nějaké vlastní "geniální řešení" (viz již zmíněná diskuse "Šarlatánství
versus věda"). Ve fyzikálních vědách jsou tyto deformace méně
časté, fyzikové okamžitě rozeznají bludné koncepce a
širší veřejnost to zpravidla neosloví. Časté
pseudovědecké deformace jsou v biologických a zejména v
medicínských oborech, kde se tzv. alternativní
medicíně dostává propagace a velké finanční
podpory ze strany firem, které vydělávají na prodeji mnohdy
neúčinných léčiv (např.
homeopatických). V oblasti biologie a
medicíny se vyskytují složité "zašmodrchané" a
málo reprodukovatelné jevy a procesy, takže příp. omyly a
podvody se zde obtížně prokazují.
Členění přírody
Rozdělit přírodu do kategorií lze pomocí různých
kritérií. Nejstarší členění přírody, s
nímž jsme se každý setkali v nejútlejším dětském věku
při prvních krůčcích poznání, je rozdělení přírody na živou
a neživou přírodu. Z lidského hlediska
přistupujeme k živé přírodě s většími sympatiemi
přináležitosti "živého k živému", než k
přírodě neživé. Z fyzikálního hlediska je však
rozdělení na živou a neživou přírodu bezpředmětné
*): tytéž základní přírodní zákony platí jak pro
neživou, tak pro živou přírodu.
*) Odhlížíme zde od toho, že je někdy
nesnadné rozhodnout, zda některé jednoduché organické
systémy zařadit mezi živé či neživé; to je užší
problém molekulární biologie a organické biochemie.
Rovněž další jednoduché dělení přírody na pozemskou
a vesmírnou je překonané a fyzikálně
neopodstatněné: nyní již víme, že přírodní
děje probíhající zde na Zemi, i v nejvzdálenějších
končinách vesmíru, se řídí stejnými univerzálními
fyzikálními zákony.
Skutečně opodstatněné a objektivní dělení přírody
podle převládajících a určujících fyzikálních
zákonitostí je následující (obr.1.0.1 dole) :
Uvedené tři kategorie přírody nemají zdaleka ostré hranice a často se prolínají. A to i tak vzdálené oblasti jako je megasvět a mikrosvět - např. termonukleární reakce v nitru Slunce či vzdálených hvězd ("Úloha gravitace při vzniku a evoluci hvězd"), a dokonce i procesy samotného vzniku vesmíru ("velký třesk" - Standardní kosmologický model. Velký třesk. Formování struktury vesmíru.), jsou řízeny kvantovými zákonitostmi jaderné fyziky a interakcí elementárních částic mikrosvěta.
Jak fyzika a přírodověda zkoumá náš svět
?
Obrovská různorodost velikostí, tvarů a složení objektů v
přírodě, jakož i procesů v nich probíhajících, si
vyžaduje i řadu velmi různých metod zkoumání a nástrojů -
často velmi důmyslně zkonstruovaných přístrojů.V
prostředním řádku obr.1.0.1 jsou symbolicky znázorněny
typické objekty v přírodě - od částic,
jader, atomů, molekul, přes buňky s jejich organelami a DNA,
organismy, planety, hvězdy, galaxie, až po celý vesmír. V
řádku pod ním jsou znázorněny nástroje
pomocí nichž příslušné objekty zkoumáme. V horní části
obr.1.0.1 jsou uvedeny obory přírodovědy,
které se zkoumáním příslušných objektů zabývají a
základní fyzikální kategorie které se k nim
vztahují. Dole na obrázku je měřítko
rozměrů objektů (od nejmenší tzv. Planckovy-Wheelerovy
délky 10-33cm [je odvozena a diskutována v
§B.4 "Kvantová geometrodynamika" v monografii "Gravitace, černé díry a
fyzika prostoročasu"], přes
pikometry částic a atomů, mikrometry buněk,
milimetry a metry organismů, kilometry lesů,
hor, moří a dalších objektů pozemské přírody, tisíce a
miliony kilometrů planetární soustavy,
miliardy kilometrů, světelné roky až miliardy světelných
let vzdáleného vesmíru; až do nekonečna
otevřeného vesmíru...).
Obr.1.0.1. Široké spektrum velikostí objektů našeho světa,
zkoumaných různými obory fyziky a přírodovědy pomocí
různých nástrojů.
Začněme od obvyklého makrosvěta
v prostřední části obr.1.0.1 a budeme nejprve pokračovat
směrem k menším měřítkům. Nejdůležitější pozorovací
nástroj si nosíme s sebou: je to naše oko -
optický systém promítající světlo pomocí čočky na
sítnici, kde se vytváří obraz přenášený do neuronové
sítě v mozku. Pomocí zrakového vidění pozorujeme a
zkoumáme všechny běžné makroskopické předměty od
velikosti zlomku milimetru (kde si můžeme
pomoci lupou) až po desítky kilometrů (zde si pomáháme dalekohledem).
Pro poznávání drobounkých předmětů a
struktur o velikosti setin a tisícin milimetru, jako jsou buňky
a organely uvnitř, používáme mikroskop -
optickou soustavu objektivu a okuláru, který může dosáhnout
zvětšení max. asi 3000-krát. Vynález mikroskopu sehrál
obrovskou úlohu v biologii a medicíně, které
se z původně "šarlatánských" oborů, s řadou
omylů a neopodstatněných doměnek, tak staly exaktními
přírodními vědami. Na poznání, že všechny živé
organismy jsou složeny z buněk se složitou
vnitřní strukturou, navázalo zkoumání složitých
biochemických a molekulárně genetických procesů, které jsou
podstatou života. Tento výzkum stále
pokračuje.
Pro zkoumání ještě menších struktur v
oblasti molekul a atomů, ve sféře mikrosvěta,
je sebedokonalejší optický mikroskop již bezmocný: vlnová
délka viditelného světla je mnohonásobně větší než
rozměry atomů a molekul *). Něco tak jemného jako atomy
nemůžeme pozorovat něčím tak hrubým jako je světlo!
Žádný člověk svým zrakem nikdy nemůže spatřit struktury
molekul a atomů. K jejich zkoumání je třeba využít
nepřímých laboratorních metod atomové a jaderné
fyziky. Nejdůležitější metodou je zde spektrometrie
(především elektromagnetického záření): vhodným dodáním
energie atomy či jádra excitujeme, při následné deexcitaci
se vysílá záření, jehož energetické rozložení - spektrum
- měříme. Z výsledků těchto měření usuzujeme na
vnitřní strukturu molekuly, atomu nebo jádra. ........
*) V "mezistupni" mikrorozměrů
se může uplatnit elektronový mikroskop,
který je schopen dosáhnout zvětšení 100 000-krát i
vyšší. Můžeme zobrazit drobné nitrobuněčné struktury,
viry, větší makromolekuly.
Další důležitou metodou
zkoumání atomů, jader a částic jsou rozptylové
experimenty. Zkoumané atomy či jejich jádra ostřelujeme
vhodnými částicemi (elektrony, protony, alfa-částice, ...) o
vhodných energiích a zkoumáme, pod jakým úhlem se
"odrážejí" resp. rozptylují. Při nižších
energiích probíhá většinou pružný rozptyl, při
vysokých energiích nepružný či "hluboce"
nepružný rozptyl. Pomocí Ruthefordova rozptylového
experimentu s částicemi alfa se podařilo odhalit
vnitřní strukturu atomu - atomové jádro a
elektronový obal (§1.2, část "Stavba atomů", obr.1.1.4).
Pro poznání struktury elementárních
částic a podstaty sil, které mezi nimi působí, je
nutné realizovat srážky částic při co
největších energiích na urychlovačích (§1.5, část "Urychlovače nabitých částic") - dosáhnout hluboce
nepružný rozptyl či "rozbití" částic; ve spektru
"nástrojů zkoumání" na obr.1.0.1 leží na levém
okraji. Při takových kolizích částice vzájemně proniknou
"hluboko do svých niter" a výsledek interakce může
leccos vypovědět o jejich stavbě. Vlivem kvantových procesů
v polích silných, slabých a elektromagnetických interakcí
vznikají při vysokoenergetických srážkách nové sekundární
částice, které jsou jednak zajímavé samy o sobě,
jednak nesou důležité informace o charakteru fundamentálních
přírodních sil, včetně možností jejich jednotného
chápání v rámci unitární teorie pole. Srážky
částic při vysokých energiích jsou jakousi
"sondou" do nejhlubšího nitra hmoty - a zároveň i
do procesů vzniku vesmíru (viz §5.5
"Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír." knihy "Gravitace, černé díry a fyzika
prostoročasu"). Lze říci, že
velké urychlovače jsou nejvýkonnějšími "mikroskopy"
do nitra hmoty a s trochou nadsázky zároveň i
největšími "virtuálními teleskopy"
do vesmíru, které umožňují
"dohlédnout" až k velmi raným fázím vývoje
vesmíru, kam již žádné obvyklé astronomické dalekohledy
dohlédnout nemohou. Nejedná se samozřejmě o přímé fyzické
pozorování jevů v počátku vesmíru, ale o jejich pokud
možno věrnou experimentální simulaci:
Procesy, které zkoumáme na urychlovačích při interakcích
částic vysokých energií, pravděpodobně probíhaly v
prvních mikrosekundách po vzniku vesmíru - těsně po "big
bangu". Můžeme nám to pomoci pochopit vznik
a vývoj vesmíru.
Pokud půjdeme nyní opačně - od makrosvěta
směrem k velkým měřítkům do vesmíru, pro
pozorování planet, hvězd a jejich systémů, mlhovin,
galaxií, používáme velké astronomické dalekohledy
(§1.1, část "Elektromagnetické záření - základní zdroj
informací o vesmíru" v knize
Gravitace, černé díry...). Tyto
dalekohledy mají často ve svém ohnisku instalovány i spektrometry,
analyzující vlnovou délku přicházejícího světla. Tato astronomická
spektrometrie je mocným nástrojem poznání
chemického složení, teploty, rychlostí pohybu objektů
nacházejících se ve vzdálenostech i tisíců, miliónů či
miliard světelných let, kam se nikdo nikdy nemá šanci fyzicky
podívat! Astronomické dalekohledy (optické i infračervené)
se někdy posílají i mimo zemskou atmosféru, na oběžné
dráhy kolem Země. Vedle optických dalekohledů se používají
i radioteleskopy, jejichž antény zachycují
elektromagnetické záření větších vlnových délek
(jednotky či desítky centimetrů). Důležité informace o
formování vesmíru přináší meření reliktního
mikrovlnného záření (§5.4,
pasáž "Mikrovlnné reliktní záření - posel
zpráv o raném vesmíru" v knize
"Gravitace, černé díry ...").
Důležitými "okny" do vesmíru se
postupně stává detekce kosmického záření (§1.6, část
"Kosmické
záření"), neutrin (§1.2,
část "Neutrina - "duchové" mezi částicemi "), v poslední době a především v budoucnu i gravitačních
vln (§2.7 "Gravitační
vlny" v monografii
"Gravitace, černé díry ...").
Přírodní
vědy
Ve vzdálené minulosti (starověku a
středověku) byla jen jedna věda zvaná filosofie,
která zahrnovala všechny oblasti tehdejšího lidského
vědění - společnosti, přírody, medicíny, náboženství,
historie atd. Skutečných poznatků bylo málo, převládaly
spekulace a dohady, konvenční tradované názory a
náboženská dogmata.
Stručný přehled vývoje poznatků o přírodě,
zvláště pak o vesmíru, prostoru, času, elektřině a
gravitaci, od starověku až po současnost, je podán v §1.1
"Historický vývoj poznatků o přírodě,
vesmíru, gravitaci"
knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").
S rostoucím poznáním přírody již nebylo
možné obsáhnout vše v rámci filosofie, z níž se proto
postupně vyčleňovaly a oddělovaly přírodní vědy.
Základní dělení přírodních věd je na základě hlavních
okruhů přírodních jevů a objektů, kterými se zabývají :
Zmíněný metodický postup, při němž
se biologické děje vysvětlují chemickými reakcemi a
chemické reakce zase fyzikálními elektrickými interakcemi
atomů, se označuje jako redukcionismus -
složitější jevy se snažíme redukovat a vysvětlit
pomocí jevů jednodušších. Obecně je tento přístup v
přírodověde velmi plodný a úspěšný. Permanentním
předmětem diskusí přírodovědců a filosofů však je
otázka, zda toto redukcionistické schéma bilogie Ü
chemie Ü fyzika lze či nelze (aspoň v
principu) aplikovat i na vyšší nervovou činnost - psychické
a duševní pochody v lidské mysli ..?..
V minulosti, zhruba do konce 19.stol., se
jednotlivé vědní obory vyvíjely do značné míry samostatně
a uzavřeně a pokrok poznání byl poměrně pomalý.
Pozdější impozantní rozvoj poznání byl zapříčiněn
především dvěma faktory:
¨
Technický pokrok v pozorovací a
experimentální technice, který umožnil nahlédnout do dříve
nepoznatelných měřítek mikrosvěta a megasvěta;
¨
Interdisciplinarita (mezioborovost) - přesah jednotlivých speciálních oborů do jiných
oborů (sousedních i vzdálených), spolupráce různých vědních oborů při řešení
otázek poznání složitých jevů. Např. aplikace poznatků
jaderné fyziky na procesy ve hvězdách - jaderná
astrofyzika (§4.1 "Úloha
gravitace při vzniku a evoluci hvězd" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika
prostoročasu"), či chemie a fyziky
na děje v buňkách - molekulární biologie a
genetika, biochemie a biofyzika (§5.2,
část "Buňky -
základní jednotky živých organismů"), vedly k zásadnímu
kvalitativnímu pokroku našeho poznání.
Metodické členění
fyziky
Podle metody a stylu práce při zkoumání přírodních
zákonitostí lze fyziku dělit do tří oblastí:
Oborové
členění fyziky
Podle konkrétních skupin zkoumaných přírodních jevů se
fyzika člení do velkého počtu oborů a specializací (je jich
více než sto), z nichž zde vyjmenujeme jen několik
nejzákladnějších (každý z nich má řadu podoborů a
specializací, včetně mezioborových) :
Vedle specializovaných fyzikálních oborů, zabývajících se konkrétními skupinami jevů, jsou součástí struktury fyziky i dvě významné teoretické koncepce moderní fyziky, které mají obecnější charakter a jdou "napříč obory" :
Gnoseologická
poznámka:
Můžeme pochopit
relativistickou a kvantovou fyziku ?
My lidé a předtím život zde na Zemi se vyvíjel po miliony
let v prostředí slunečním světlem ozařovaných moří,
jezer a řek, hor, minerálů, atmosféry. Spolu s celými
našimi biologickými těly jsou i naše mozky
zcela fixovány na "umírněné" makroskopické
prostředí s nízkými rychlostmi, malými
vzdálenostmi, slabou gravitací i nevelkými ostatními silami,
nízkými teplotami v rozmezí do několika stovek až ticíců
stupňů. Z tohoto přírodního prostředí jsme již dávno
"odkoukali" zákonitosti klasické mechaniky, později
pak termiky, hydrodynamiky, fyziky pevných látek, elektřiny a
magnetismu, chemie, biologie atd. Jedině tady "jsme
doma"..!..
S rychlostmi stovky tisíc kilometrů za sekundu,
tisíceronásobně většími než dosahují jakékoli běžné
makroskopické předměty, ani se subtitěrnými částicemi
rozměrů miliontin milimetru, neviditelnými ani nejlepšími
mikroskopy, nemáme žádné osobní zkušenosti. Zákonitosti
relativistické a kvantové fyziky nám tím pádem nejsou
nijak blízké a nerozumíme jim, přicházelo se na ně
až v nejnovější době pomocí složitých
experimentů, precizních měření, sofistikovaných
analýz...
Abychom my "obyčejní smrtelníci" (relativističtí
či kvantoví "nespecialisté" *) pochopili aspoň
něco z kvantových zákonitostí mikrosvěta a relativistických
zákonitostí megasvěta, musíme si nutně
vypomáhat přibližnými modely
vycházejícími z klasické mechaniky. Jsou to "kuličkové
modely" pro atomy a interakce (srážky) částic (viz poznámku v §1.5, pasáž "Existují vůbec elementární
částice? Kuličkový model."), či pohyby podle klasické mechaniky a Newtonova
gravitačního zákona - s dodatečnými potřebnými kvantovými
a relativistickými korekcemi.
*) Po pravdě řečeno, i tito
specialisté, pokud se odváží sestoupit z "trůnu
své nadřazenosti" a poctivě si uvědomit že jsou
též jen obyčejní lidé, přiznávají že tyto
modely též používají...
Významné přírodovědecké objevy -
náhoda nebo metoda?
Kontinuita vědeckého poznávání přírody, jehož počátky
můžeme sledovat zhruba od 16.století, byla čas od času
narušena - v pozitivním smyslu - zásadními
objevy, které podstatně urychlily poznání zkoumaných jevů,
odhalily nové jevy či změnily metodiku a směr bádání.
Zamysleme se krátce nad úlohou, jakou při těchto objevech
sehrála náhoda a jakou systematický metodický
postup. Všimneme si z tohoto hlediska třech případů
:
¨
Objev magnetického účinku elektrického proudu
učiněný H.Ch.Oerstedem v r.1820.
Nebýt náhodného položení magnetky kompasu na pracovním
stole, dělal by Oersted dál řadu pokusů s elektrickými
obvody, ale souvislost mezi elektrickým proudem a magnetismem by
nezpozoroval.
¨
Objev rentgenového záření učiněný
W.C.Röntgenem v r.1895.
Je stručně popsáno v §3.2 "Rentgenová diagnostika". Nebýt zakrytí výbojkové trubice černým
papírem a rozsvícení náhodě postaveného stínítka, nebyl
by možná Roentgen vkládal mezi trubici a stínítko různé
předměty (včetně své ruky). Dělal by dál zajímavé pokusy
s katodovými trubicemi stejně jako desítky dalších
experimentátorů v té době, ale nové pronikavé záření by
asi nenašel (ostatně, toto X-záření ve
stejné době nezávisle objevili H.Jackson a
A.A.Campbell-Swinton), ani jeho
kardinální význam v lékařské diagnostice.
¨
Objev radioaktivity učiněný v r.1896
H.Becquerelem.
Je stručně popsáno v §1.2 "Radioaktivita". Nebýt náhodného uložení minerálů,
určených ke zkoumání (světelné) luminiscence, na
světlotěsně zabalenou fotografickou desku a náhodného
vyvolání této (doměle "čisté", neexponované)
desky, zkoumal by Becquerel nadále luminiscenci vybuzenou
slunečním světlem a o neviditelném radioaktivním záření,
vycházejícím z nitra některých látek, by neměl tušení.
Lze z historie těchto a řady jiných
případů soudit, že významné objevy jsou snad dílem
pouhé náhody? Rozhodně ne! Platí
zde známé přísloví "náhoda přeje
připraveným". Tito badatelé byli zkušenými
experimentátory a své pokusy prováděli systematicky
s dobře promyšleným metodickým postupem.
Náhoda pouze nasměrovala tento metodický
postup tak, že vyústil ve výsledný objev nového
přírodního jevu. Nezkušený experimentátor by možná
vyloučil některé pozorované jevy (pokud by si jich vůbec
všiml), které nezapadají do rámce stávajících
předpokladů, považoval by je za náhodné chyby. Např. by
jako vadnou vyhodil fotografickou desku, která je zčernalá,
ač by být neměla...
Ostatně, i kdyby nenastaly zmíněné
"náhody" a Oersted, Röntgen, Becquerel a další z
učebnic známí badatelé by neučinili své objevy, zanedlouho
by to učinil někdo jiný. Zkušených
badatelů, usilovně provádějících na svou dobu špičkové
pokusy, byla celá řada, neřešené problémy většinou již
"nazrály" a bylo jen otázkou času provedení
experimentů, které by vnesly nové "světlo" a směr.
V současné době se základní přírodovědné (zvláště
fyzikální) bádání dostalo již jednoznačně na úroveň
systematického metodického postupu, na němž se podílí celé
týmy složené z odborníků různých zaměření, s použitím
většinou velmi složitých a nákladných (často i značně
rozsáhlých) experimentálních zařízení. Ale ani opačné
tvrzení, že "náhoda zde již nemá žádné místo"
nemůžeme považovat za oprávněné...
"Nová" a "stará"
fyzika - kontinuita vědeckého poznání
S pokrokem přírodovědného poznání se zákonitě stává,
že dřívější představy a teorie již nevystačují pro
vysvětlení nově objevovaných jevů a skutečností - jsou
nahrazovány teoriemi novými. V laické
veřejnosti a popularizační literatuře se často setkáváme s
tvrzením, že "nová teorie vyvrátila či zbořila
dosavadní teorii", nebo dokonce "nová fyzika
vyvrátila starou fyziku". Tento názor je naprosto mylný!
Toto částečně platilo v dávnější minulosti při přechodu
z předvědeckého období, kdy některé neověřené
a mylné názory a spekulace byby vyvráceny
a nahrazeny teoriemi již skutečné přírodovědy, založenými
na faktech. Nynější přírodověda -
především fyzika - však již takovým způsobem nepostupuje.
V přírodovědě
(a ve fyzice zvlášť) platí kontinuita vědeckého
poznání. Nové objevy a nové teorie nevyvracejí
experimentálně ověřené poznatky předchozí teorie, nýbrž doplňují,
upřesňují a zobecňují tyto teorie na nově
objevené jevy, které již dřívější koncepce není
schopna úplně vysvětlit; přitom obsahuje dřívější teorii
jako limitní případ. Umožňuje též
hlubší chápání jevů v širší perspektivě - co je
"za tím".
Můžeme si to
přiblížit na příkladu teorie relativity a kvantové
fyziky. Einsteinova speciální teorie relativity
nevyvrací klasickou Newtonovskou mechaniku, která je jejím
limitním případem pro rychlosti malé ve srovnání s
rychlostí světla. Upřesňuje však zákony pohybu tak, aby
přesně platily i pro vysoké rychlosti. Podobně obecná teorie
relativity nevyvrací klasický Newtonův gravitační zákon,
který zůstává v platnosti jako limitní případ slabých
gravitačních polí. Einsteinovy rovnice gravitačního pole
jsou zobecněním, platným i pro extrémně silnou gravitaci. To
zásadní a nové, co přináší teorie relativity, je nový
pohled na vlastnosti prostoru a času (viz "Gravitace,
černé díry a fyzika prostoročasu")
- avšak opět se to projevuje jen za "extrémních"
podmínek; v běžném makrosvětě vystačíme s klasickým
pojetím prostoru a času v duchu Eukleida a Newtona.
Podobně vztah mezi klasickou a kvantovou fyzikou se
formuluje jako tzv. princip korespondence: V
limitě velkých kvantových čísel se stírá rozdíl mezi
kvantovou a klasickou fyzikou, kvantová fyzika přechází v
klasickou. Neboli pro velká kvantová čísla dává kvantová
fyzika stejné výsledky jako fyzika klasická.
Tento vztah
kontinuity a korespondence bude nepochybně platit i u budoucích
teorií. Podaří-li se úspěšně vybudovat unitární teorie
pole, nijak to nenaruší fungování zákonitostí
stávajících teorií jednotlivých oddělených
"částečných" polí (elektromagnetického,
gravitačního, jaderných sil) v podmínkách, kde jsou
experimentálně ověřeny. Avšak předpoví a vysvětlí nové
jevy při extrémně vysokých energiích interakcí, snad
včetně jevů při vzniku vesmíru, na které dosavadní teorie
nestačí.
Směr vědecké
dedukce
Vědecký výklad je založen na odvozování
jednoho poznatku z druhého. Nespočívá to však jen v prosté
dedukci. Pro skutečné poznání a pochopení souvislostí
nestačí formální logika dedukce, ale z heuristického
hlediska je důležitý i směr dedukce - od
fundamentálnějších zákonitostí či teorií ke
speciálnějším. Příkladem může být Newtonův gravitační
zákon, odvozený jeho autorem z dřívějších Keplerových
zákonů popisujících oběh planet ve sluneční soustavě. Z
hlediska vědeckého poznání a vysvětlení podstaty je však
gravitační zákon (spolu s třemi Newtonovými zákony
mechaniky) nepochybně daleko fundamentálnějším
zákonem, který vysvětluje Keplerovy zákony (a mnohem víc...)
- a nikoli naopak! Nebo jiný příklad: Zákonitosti speciální
teorie relativity (STR) byly odvozeny Lorentzem a Einsteinem na
základě elektrodynamiky pohybujících se nabitých těles.
Nyní je však STR obecnou koncepci jdoucí "napříč"
fyzikálními obory, kterou již není logické vysvětlovat a
odvozovat z elektrodynamiky, ale spíše naopak pohyby nábojů v
elektrických a magnetických polích analyzovat za pomoci STR.
Jednoduchost a
logická úspornost
Dalším důležitým principem při budování fyzikálních (a
obecně přírodovědeckých) teorií je jednoduchost a
logická úspornost z hlediska zaváděného množství
pojmů, důvodů, příčin; tyto entity se nemají
zmnožovat více, než je nezbytné. Tento princip tzv. Occamovy
břitvy*) - princip nejjednoduššího vysvětlení věcí -
řeší problém nekonečného množství rozmanitých, v
principu přípustných alternativních teorií, které vedou ke
stejným výsledků při vysvětlování určitého přírodního
jevu. Occamova břitva "odřezává" nadbytečné
pojmy, předpoklady a teorie a ponechává jen ty věrohodné,
logicky nutné a racionální; pokud pro nějaký jev existuje
více vysvětlení, je rozumné dávat přednost tomu nejméně
komplikovanému.
*) Nejedná se o nějaký
"nástroj", ale o princip rozhodování
mezi různými teoriemi, které mají podobné praktické
výsledky. Nazývá se tak podle anglického středověkého
filosofa Williama Occama (či Ockhama,
1287-1347), který se zabýval logickou stavbou vědění.
Princip logické úspornosti ("je
zbytečné dělat něco s větším počtem nástrojů, když to
může být uděláno s menším") používal proti
nadbytečnému množství scholastických principů, vlastností,
podstat, forem a dalších vymyšlených východisek, jak to v
té době bylo zvykem.
V teoriích klasické a relativistické
fyziky je tento princip důsledně dodržován. V některých
novějších fyzikálních teoriích je však situace
složitější. V kvantové teorii pole a unitárních teoriích
se zavádějí pomocná tzv. kalibrační pole, jimž
odpovídají nové hypotetické částice (viz "Sjednocování
fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny."). Nejsložitější situace je pak v teorii
superstrun, kde podle názoru některých fyziků je princip
Occamovy břitvy porušován..?..
Vyvratitelnost
teorií
Teorii nemůžeme nikdy s absolutní a konečnou
platností dokázat, nýbrž ji můžeme pouze empiricky
testovat. I když je teorie mnohokrát experimentálně
potvrzena, nikdy si nemůžeme byt jisti, že při dalších
pokusech či měřeních se neobjeví nesoulad - teorii může
vyvrátit*) třebas jen jediný experiment či pozorování,
jehož výsledky jsou v rozporu s jejími předpověděmi.
Hodnotnou teorií je tedy taková, která nejen souhlasí se
stávajícími poznatky, ale kterou je možné empiricky
vyvrátit - falsifikovat. Dokud se tak nestane,
považujeme teorii za správnou, či přesněji řečeno
za adekvátní. "Nevyvratitelná" teorie je z
přírodovědeckého hlediska prázdná, má metafyzický
charakter. Toto kritérium hodnotnosti teorie se někdy označuje
jako Popperovské (podle rakouského filosofa
K.Popprera, který se teorií poznání zbýval z hlediska kritického
a skeptického realismu), "Popperova břitva".
Vědecky věrohodné jsou jen ty teorie, které připouštějí
možnost svého vyvrácení či modifikace. Takto chápaná
vyvratitelnost teorií umožňuje další pokrok poznání -
vytváření nových dokonalejších teorií.
*) Slovo "vyvrátit" zde neznamená
úplně negovat a zbořit, ale spíše vymezit oblasti, kde již
neplatí - srov. s výše diskutovanou kontinuitou vědeckého
poznání. Fyzikové toto chápou konstruktivně
- je jim jasné, že když taková situace nastane, je to výzvou
k hledání nové, dokonalejší teorie. Pro některé ne
dostatečně erudované a předsudky zatížené lidi se však
Popperovské kritérium vyvratitelnosti může stát záminkou k
účelovým útokům na dobře ověřené, adekvátní
přírodovědecké teorie; většinou za účelem propagace
teorií neobjektivních a mylných...
Některé
další filosofické a gnoseologické aspekty
odhalování přírodních zákonitostí, vytváření jejich
modelů a formulování fyzikálních teorií jsou diskutovány v
§1.1, pasáž "Přírodní zákony, modely a fyzikální teorie" monografie "Gravitace, černé díry a
fyzika prostoročasu".
Racionalita
- intuice - fantazie v přírodovědě
Základem přírodovědeckého poznání je nepochybně racionální
analýza jevů v přírodě, vypozorovaných buď
přímo, nebo prostřednictvím experimentů. Pomocí této
analýzy usuzujeme na společné zákonitosti, kterými se
přírodní děje řídí a nakonec formulujeme příslušné přírodní
zákony. Vedle racionálního postupu se však v
určitých etapách vědeckého bádání uplatňují další dva
specifické aspekty lidského myšlení - intuice a fantazie.
Intuice
představuje schopnost poznávat přímo, aniž bychom vědomně
zapojovali rozum a racionální usuzování. Je to jakýsi
"okamžitý vhled", rychlé bezprostřední pochopení
a poznání; intuice má charakter "náhlého
osvícení", "šestého smyslu". Z hlediska
neurologie centrálního nervového systému se ukazuje, že
racionalita i intuice jsou projevem činnosti dvou odlišných,
ale těsně spolupracujících rozsáhlých neuronových
sítí v mozku. Neuronová síť, v níž se odehrává
intuice, je vývojově starší, její zárodky se projevují
již v instinktech u zvířat. Racionální síť je vývojově
mladší, je specificky lidská. Spolupráci obou sítí lze v
počítačové terminologii přirovnat ke koprocesoru, který
rychle vyměňuje informace zapsané v neuronových
mapách jednotlivých sítí. V určitém smyslu je
intuice zkráceným a zrychleným podvědomým proběhnutím
mnoha možností, které vyústí ve výběr "té
pravé" varianty... Na rozdíl od obyčejného
"hádání" se ve vědě jedná o podvědomé operace
"trénovaného" rozumu, který takto může správné
řešení "kvalifikovaně uhodnout". A fantazie
představuje schopnost představit si věci a události jinak,
než je běžně vidíme a známe - modifikovat některé mapy,
zapsané v neuronových sítích.
Intuice má velký význam v
přelomových etapách přírodovědného poznání. Nové
zobecňující a sjednocující přírodní zákony totiž mnohdy
nelze objevit logickou cestou - nelze je čistě
racionálně, třebas matematicky, odvodit ze zákonů
stávajících, neboť v nich nejsou obsaženy (aspoň ne
přímo). Zde pomáhá intuice, která poskytuje "cit"
pro chápání implicitních zákonitostí, které se za
určitými jevy skrývají. A odhaluje dříve nedoceňované
podobnosti, někdy i mezi zdánlivě vzdálenými oblastmi.
Racionálním rozvedením intuitivních představ pak vznikají
přírodovědné teorie.
Příkladem může být skvělá
intuice A.Einsteina, který si za pomoci myšleného experimentu
se zdviží všiml podobnosti dávno známých mechanických
jevů: dynamiky pohybů těles v neinerciálních (zrychlených)
soustavách a dynamiky pohybů těles v gravitačním poli. A
když k tomu připojil zákonitosti své speciální teorie
relativity, vyvodil z toho nový pohled na gravitaci a
zakřivený prostoročas - obecnou teorii relativity
(podrobně je rozebráno v §2.2 "Univerzálnost - základní
vlastnost a klíč k pochopení podstaty gravitace"
v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu).
Fantazie nám poskytuje množství různorodých
možností "jak by to případně mohlo
fungovat" - a ukazuje se, že některé z těchto možností
(někdy i ty, které se původně jeví jako "šílené
nápady") se skutečně v přírodě realizují..!..
- jiné ovšem ne, není dobré přeceňovat
nepodložené inovace za každou cenu...
Pro dosažení objektivního a
pravdivého poznání musí intuice, stejně jako racionální
metoda, vycházet z pozitivně zjištěných skutečností a ověřených
údajů. Obvyklou chybou "amatérských
myslitelů" bývá to, že vycházejí z nedostatečných,
nespolehlivých či zkreslených údajů, navíc nedostatečně
pochopených a nezařazených do kontextu ostatních poznatků.
Intuitivně z toho pak vyvozují svérázné představy, jejichž
rozvedením (třebas i racionálním a exaktním) dospívají k
naprosto chybným závěrům a koncepcím,
často již bez zpětné vazby a sebereflexe...
Chyby a omyly při
vědeckém poznání
Při tak složité činnosti jako je vědecké
poznávání, zákonitě dochází i k chybám a omylům.
Tyto chyby mohou být několika druhů, z nichž základní jsou
dva:
¨ Neúspěšné
experimenty a pozorování, při nichž se
nepodaří odhalit či potvrdit zkoumaný jev, nebo naměřit
správné výsledky. Známé rčení "Negativní
výsledek je taky výsledek" je ve vědeckém poznání
hluboce pravdivý. Negativní výsledek může mít dvojí
příčinu: 1. Buď je chybný výchozí
předpoklad či hypotéza a zkoumaný jev neexistuje
nebo neprobíhá za daných podmínek, příp. hodnoty
fyzikálních veličin jsou mimo měřitelné rozmezí. 2.
Při experimentu nebo statistickém sledování jsme se dopustili
chyby či nepřesností, nepodařilo se eliminovat rušivé vlivy
které "přehlušily" pozorovaný subtilní jev.
Neúspěšný experiment či měření by neměl vést k
rezignaci, ale k přehodnocení metodiky a zdokonalení
experimentální techniky - snad se příště či v budoucnu
podaří..?..
¨ Falešně
pozitivní experimenty a pozorování, při
nichž se zkoumaný jev (zdánlivě) podaří prokázat, či se
naměří zdánlivě prokazatelné přesné hodnoty určitých
veličin. Tyto výsledky však někdy mohou být důsledkem
experimentálních chyb, rušivých vlivů, nesprávné
interpretace. Abychom nějaký jev mohli považovat za prokázaný
a hodnoty změřených veličin za přesné, je
nutné nezávislé ověření v jiné
laboratoři a jinou skupinou výzkumníků, nejlépe
několikanásobné nezávislé ověření.
Bohužel se
někdy vyskytují (naštěstí ne příliš často) i záměrné
manipulace, ba falšování, měřených výsledků.
Motivy bývají různé, většinou prestižní či ekonomické -
získání prostředků (z grantů a dotací) buď pro vlastní
potřebu, nebo pro financování činnosti ústavu a daného
projektu. Tyto nešvary jsou častější v biologických a
medicínských vědách, kde se zkoumají složité
"zašmodrchané" a málo reprodukovatelné jevy a
procesy, takže příp. podvody se zde obtížně prokazují.
Navíc jsou zde často "ve hře" velké finanční
prostředky, zisky a partikulární zájmy
soukromých firem (např. farmaceutických)...
Unitarizace
ve fyzice
Základem
vědeckého myšlení a poznání 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 koncepci či 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" (TOE
- Theory Of Everything). A právě fyzice, která zkoumá
nejzákladnější zákonitosti přírody, náleží hlavní sjednocovací
úloha mezi všemi přírodními vědami.
Charakteristickým rysem fyzikálního
pohledu na přírodu je již zmíněný redukcionistický
přístup a snaha o jednotné pochopení co
nejširší třídy jevů - unitarizace. Tato
snaha se jako "červená nit" táhne celou historií
fyziky - viz §B.1 "Proces
sjednocování ve fyzice"
knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".
První etapa
unitarizace proběhla vlastně již v samotných začátcích
fyziky jako vědy: jednalo se o sjednocení
"pozemské" a "nebeské"
mechaniky. Zásluhou Galileiho, Koperníka,
Keplera a Newtona se stávalo jasné, že přírodní zákony pozorované zde
na Zemi platí i jinde ve vesmíru.
Newtonův zákon všeobecné gravitace ukázal, že síla zemské
tíže způsobující padání těles je identická se silou
udržující planety na oběžných dráhách kolem Slunce, tj. s
vesmírnou gravitací.
Do "klasického" období
unitarizace fyziky lze rovněž zařadit sjednocení
mechaniky a termiky v kinetické teorii tepla, podle níž
podstatou tepelných jevů je kinetická energie
neuspořádaného a kmitavého pohybu molekul a atomů v
látkách.
Důležitou etapou unitarizace ve fyzice bylo sjednocení elektrických a magnetických sil, které se předtím zdály být
různými přírodními silami. Důsledkem jednoty elektřiny a
magnetismu ve Faradayově-Maxwellově elektrodynamice je i
existence elektromagnetického
vlnění,
které se vyzařuje při zrychleném pohybu elektrických
nábojů. Vlastnosti těchto elektromagnetických vln se ukázaly
být identické s vlastnostmi světla: došlo tak navíc ke sjednocení
jevů optických a elektromagnetických. Radiovlny, tepelné
záření, světlo, rentgenové i gamma záření, spolu s
klasickými i relativistickými efekty elektřiny a magnetismu,
jsou tedy jen různými projevy elektromagnetické
interakce.
Rozvoj atomistiky a kvantové
mechaniky v
první třetině 20. století ukázal, že veškerou rozmanitost chemických jevů lze vysvětlit pomocí
elektromagnetických interakcí a kvantových zákonitostí v
elektronových obalech atomů jednotlivých prvků; totéž
platí o fyzikálních vlastnostech pevných těles (pružnost,
pevnost, dislokace), kapalin i plynů. Chemie tak byla fakticky
"pohlcena" fyzikou, aspoň co se týče základů.
Další dvě etapy unitarizace souvisejí s teorií relativity. Ve své speciální teorii relativity
Einstein sjednotil prostor a čas do jednotného prostoročasového kontinua, v obecné teorii relativity pak ukázal,
že Newtonovská gravitace a setrvačnost jsou společným
projevem geometrických vlastností (křivosti) prostoročasu,
který má dynamický charakter - došlo ke
sjednocení gravitace a prostoročasu.
Poslední etapa unitarizace probíhá v oblasti
"elementárních" částic.
Obrovské množství experimentálních poznatků o vlastnostech
a interakcích elementárních částic, získané v rozmezí
50.-80.let, zpracovaných a sjednocených v duchu řady
kvantově-teoretických koncepcí, vyústilo v tzv. Standardní
model elementárních částic a jejich interakcí (podrobněji je rozebíráno v §1.5 "Elementární
částice a urychlovače", pasáž "Standardní
model - jednotné chápání elementárních částic"). Veškerá hmota v
přírodě ve svém nejhlubším nitru je tvořena jen 2
"rodinami" základních (elementárních) částic - 6 leptony
a 6 kvarky, mezi nimiž působí 4 fundamentální síly
(interakce): silná, elektromagnetická, slabá a
gravitační. První tři z těchto interakcí jsou popsány
výměnami intermediálních bosonů se spinem 1: silná
interakce je zprostředkovaná gluony,
elektromagnetická interakce fotony, slabá interakce
těžkými intermediálními bosony nabitými (W+,-) a
neutrálními (Zo). Pro gravitační interakci zatím není dokončena
kvantová teorie, avšak může být popsána intermediálními gravitony
(se spinem 2).
Sjednocování
fundamentálních interakcí - unitární teorie pole
Vyústěním zmíněných etap unitarizace bylo zjištění, že
veškeré přírodní dění je řízeno jen čtyřmi
typy interakcí: gravitační, elektromagnetickou,
silnou a slabou interakcí. Každá interakce je ve fyzice
vyjádřena pomocí příslušného fyzikálního pole
*). Sjednocování interakcí tak spočívá ve vytváření tzv.
unitární teorie pole. Průkopníkem unitární
teorie pole byl A.Einstein, který po vytvoření obecné teorie relativity pracoval (i když ne příliš
úspěšně) až do posledních dní svého života na teoriích sjednocení elektromagnetického a
gravitačního pole.
*) Koncepce fyzikálního pole
ukazuje, že i když se dvě tělesa fyzicky nedotýkají,
"dotýkají" se, ba vzájemně prolínají,
jejich pole. A to způsobuje jejich vzájemné silové
působení.
Myšlenka unitární teorie pole je nesmírně hluboká a krásná: podle ní by mělo existovat jediné, zcela základní a vše zahrnující fyzikální pole, jehož projevem by pak byla všechna pozorovaná
pole v přírodě - gravitační, elektromagnetické, pole
silných a slabých interakcí a příp. další pole třebas v
subnukleární fyzice. Ve světě pak neexistuje nic než toto
pole, z něhož je všechno
složeno -
i hmotné útvary (např. částice) jsou jakési místní
"zhuštěniny" tohoto pole...
Moderní unitarizační snahy probíhají na
půdě kvantové teorie polí a jejich cílem je sjednocování fundamentálních interakcí mezi elementárními částicemi
- interakcí silných, slabých, elektromagnetických a
gravitačních.
První výrazný
úspěch na této cestě byl zaznamenán při sjednocování
elektromagnetické interakce a slabé interakce v tzv. elektroslabou interakci - jedná se o Weinbergovu-Salamovu-Glashowovu teorii. Další etapa unitarizace se
označuje jako velké sjednocení GUT
- (Grand Unification Theory) - zde se pokoušíme
sjednotit silnou interakci, popsanou kvarkovou chromodynamikou, s
elektroslabou interakcí. Tyto etapy unitarizace dosáhly
značných úspěchů, vedly k vytvoření standardního
modelu elementárních částic (§1.3,
část "Standardní model
- jednotné chápání elementárních částic").
Završení
unitarizace interakcí v kvantové teorii pole by spočívalo v zahrnutí gravitační interakce, v jejím
sjednocení s ostatními třemi druhy interakcí. Tento
ambiciózní unitarizační program se označuje jako supersjednocení nebo supergravitace; v
současné době se v tomto směru neintenzívněji pracuje v
oblasti tzv. teorie superstrun, zvláště v
její nejnovější verzi, tzv. M-teorii.
Koncepce unitarizace a konkrétní
unitární teorie pole jsou podrobněji popsány v Kapitole
B "Unitární teorie pole a kvantová gravitace" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika
prostoročasu", především v
§B.6 "Sjednocování fundamentálních
interakcí. Supergravitace. Superstruny.". Otázka, odkud se vzaly konkrétní hodnoty
základních přírodních konstant, je stručně diskutovaná v
§5.5, pasáž "Původ
přírodních konstant" zmíněné
monografie.
Naše současné fyzikální
teorie mají nepochybně jen omezenou platnost, jsou
"předběžné" a dočasné, dříve či později budou
modifikované a zdokonalené. Avšak některé jejich aspekty
již nyní v sobě skrývají zárodky budoucí dokonalejší
teorie, možná již i finální "teorie
všeho"..?..
Fyzika - krása a dobrodružství
poznání
Nádherná a obdivuhodná stavba fyziky, která zde byla jen
letmo nastíněna, s pokrokem poznání umožňuje čím dál
lépe pochopit stavbu a fungování našeho světa
- od mikroměřítek elementárních částic, přes stavbu
atomových jader a atomů, fungování živých buněk,
organismů, hvězd a planet, galaxií, až po stavbu a vývoj
celého vesmíru. Odpovídá nám postupně na základní
otázku:
" Jak
funguje svět kolem nás a v nás ? " .
Vědecké
poznání nových, často dříve netušených jevů a krása
architektury jejich vzájemných vztahů vyjádřených v
přírodních zákonech, poskytuje přemýšlivému člověku
neskonalou radost z poznání - "jak
funguje náš svět", jaká je podstata
věcí a událostí. Tento vnitřní pocit je duchovního
charakteru, ne nepodobný "náboženskému vytržení"
či samádhi při meditaci. Vede nás to k hluboké úctě
před velkolepostí skrytého řádu a "rozumu", který
je imanentně vtělen v bytí. Prostřednictvím vnitřně
pochopeného vědeckého poznání můžeme dosáhnout osvobození
od pout malichernosti pýchy a sobectví, dosáhnout
zduchovnění našeho chápání světa a zušlechtění
vzájemných vztahů mezi sebou i k živé a neživé přírodě.
Tělesně jsme my lidé jen nicotným
práškem ve vesmíru. Duchovně ale tuto svou nicotnost
vysoce přesahujeme: ten obrovský vesmír -
jeho stavbu, fungování, vývoj - jsme schopni poznávat
a rozumět mu.
Je toho však stále mnoho, co zatím nevíme
a možná ani netušíme. Další dobrodružství
poznání nás ještě čekají!
| Zpět: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření | |||
| Jaderná a radiační fyzika | Detekce a spektrometrie záření | Aplikace záření | |
| S c i n t i g r a f i e | Počítačové vyhodnocování scintigrafie | Radiační ochrana | |
| Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu | Antropický princip aneb kosmický Bůh | |||
| AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie | |||
