Sedm stručných lekcí z fyziky

Náš vesmír je fascinující místo – nejen pokud jde o Sluneční soustavu a galaxie, ale i o svět, který se odehrává kolem nás na atomové úrovni. Dlouhou dobu jsme byli v podstatě ve tmě, pokud jde o celkový obraz toho, kde se naše planeta ve vesmíru nachází, stejně jako o povahu základních stavebních kamenů života.

Díky Carlu Rovellimu můžeme nahlédnout do obou těchto světů očima fyzika. Rovelli nás provádí zrodem moderní fyziky a vysvětluje, co nás naučily dva její pilíře: obecná relativita a kvantová mechanika. Ukazuje také, s jakými naléhavými otázkami se fyzici dnes potýkají, a mluví o chybějících dílcích skládačky, které stále hledáme.

V tomto shrnutí se dozvíte mimo jiné:

• proč ve světě neexistují „věci“ v pevném smyslu, ale pouze dočasné události,
• co je „atom prostoru“ a proč by mohl být chybějícím kouskem skládačky,
• jak jsou spolu provázány teplo a čas.

V roce 1905 předložil mladý muž jménem Albert Einstein tři články jednomu z nejprestižnějších vědeckých časopisů na světě, Annalen der Physik. Pozoruhodné je, že každý z těchto článků je dnes považován za práci hodnou Nobelovy ceny. Nejslavnějším se však stal třetí článek, v němž Einstein poprvé představil teorii relativity.

Dnes tuto teorii známe jako speciální teorii relativity. V zásadě popisuje, jak je čas relativní – závisí na podmínkách, v nichž se nachází pozorovatel, který jej prožívá. Například pokud se pohybujete dostatečně vysokou rychlostí, čas se pro vás zpomaluje. Kdybyste nechali přítele stát na místě a sami se vydali na rychlou cestu raketoplánem, který by obletěl Zemi téměř rychlostí světla, po přistání by pro vás uplynulo méně času než pro přítele, který zůstal stát.

Einsteinova teorie způsobila vědeckou revoluci a přinesla mu okamžitou proslulost. Měla však jeden zásadní problém: v tehdejším pojetí byla v přímém rozporu s teorií gravitace Isaaca Newtona, která platila už od sedmnáctého století.

Newtonova teorie říkala, že síla gravitace určuje, jak spolu planety a hvězdy vzájemně působí a jak se pohybují prostorem. Byl to obrovský krok v našem chápání vesmíru a zákonů, které jej řídí. Poprvé jsme získali náznak, že v obrovské prázdnotě vesmíru existuje něco neviditelného, co ovlivňuje dění.

Tento zdánlivě prázdný prostor dále „zahušťovali“ britští fyzikové Michael Faraday a James Clerk Maxwell, když zavedli pojem elektromagnetického pole. Vedle gravitace tak vstoupily do hry i elektromagnetické vlny, které přenášejí elektrické a magnetické působení.

Einsteinovi trvalo deset let usilovné práce, než přišel s obecnou teorií relativity – mistrovským dílem myšlení, které je tak krásné a elegantní, že bývá přirovnáváno k Mozartovu Requiem nebo Homérově Odysseji.

Ústřední myšlenkou Einsteinovy úvahy bylo, že pokud existuje elektromagnetické pole, musí existovat i gravitační pole. Einsteinova genialita spočívala v tom, že tuto myšlenku posunul dál a vyslovil hypotézu, že gravitační pole prostor nevyplňuje – ono samotné je prostorem. Z toho plyne, že prostor není plochý: zakřivuje se kolem hmotných objektů, jako jsou planety a hvězdy, a toto zakřivení se projevuje jako gravitační působení, které brání tělesům v „odletu“.

Einsteinova práce vytvořila dokonalý odrazový můstek pro další fyzikální teorie.

Moderní fyzika dvacátého století stojí na dvou pilířích: na Einsteinově obecné teorii relativity a na kvantové mechanice – přičemž tyto dva pilíře mají na první pohled jen málo společného.

Kvantová mechanika, označovaná také jako kvantová teorie, slouží k pochopení všeho, co se děje na atomové a subatomové úrovni, kde se pohybují atomy a elementární částice. Nejenže nám přinesla zcela nový pohled na vesmír, ale vedla i k zásadním průlomům v oblasti výpočetní techniky a elektroniky. Pro většinu lidí však kvantová mechanika zůstává tajemnou a obtížně pochopitelnou oblastí.

Za oficiální začátek kvantové mechaniky se obvykle považuje rok 1900, kdy německý fyzik Max Planck studoval chování elektromagnetického záření. Aby zjednodušil výpočty, rozhodl se reprezentovat energii jako malé balíčky s přesně danými hodnotami. V jeho pojetí tak energie v elektromagnetickém poli nemohla nabývat libovolných hodnot v souvislém spektru, ale jen určitých diskrétních hodnot.

K jeho velkému překvapení začaly výpočty s tímto předpokladem vycházet s ohromující přesností. Ukázalo se, že tyto „balíčky energie“ jsou velmi reálné. O pět let později Einstein tuto představu dále potvrdil, když ukázal, že i světlo se chová, jako by bylo složeno z energetických balíčků, které dnes nazýváme fotony.

Ve dvacátých a třicátých letech dvacátého století následovala další kvantová překvapení. Dánský fyzik Niels Bohr učinil převratný objev týkající se elektronů. Zjistil, že existují jen určité, přesně vymezené hodnoty energie, které může elektron v atomu mít. Toto množství energie pak určuje dráhu, po níž elektron obíhá kolem jádra.

A to nebylo vše. Bohr také zjistil, že elektrony mohou přeskakovat z jedné dráhy na druhou. Nemohou to však dělat plynule, protože by tím porušily Planckův kvantový předpoklad. Místo toho musí „skákat“ – náhle zmizet z jedné dráhy a objevit se na jiné. Možná jste o těchto pozoruhodných skocích slyšeli pod názvem kvantové skoky.

Další zásadní příspěvek ke kvantové teorii přinesl německý fyzik Werner Heisenberg, který se snažil vysvětlit neobvyklé chování elektronů. Navrhl, že k tomu, aby měl elektron určité vlastnosti, je zapotřebí interakce – například pozorování. Pokud totiž elektron nikdo nepozoruje, nemá pevně danou polohu. A pokud něco nemá přesně určenou polohu, můžeme jen vypočítat pravděpodobnost, kde se může při měření objevit.

Vznik kvantové mechaniky znamenal obrovský skok vpřed pro fyziku. Přinesl rovnice, které dnes denně používají inženýři, chemici, biologové i fyzici. Podívejme se proto blíže na to, jak jsme se k těmto poznatkům dopracovali – a začněme u prvních představ o kosmu.