Clifford A. Pickover: Kniha o fyzice

Email Tisk PDF

O fyzice přebalObvykle si ani neuvědomujeme, že fyzika je každodenní součástí našeho života.  I krev, která proudí našimi tepnami, se podřizuje zákonům fyziky. Této nepostradatelné vědecké disciplíně je věnována Kniha o fyzice - Od velkého třesku ke kvantovému znovuzrození: 250 milníků v dějinách fyziky. Respektovaný popularizátor vědy a vynálezce v ní představuje velkolepou mozaiku atraktivních témat z historie fyziky od velkého třesku až po vzdálenou budoucnost. Bohatě ilustrovaná publikace navazuje na Pickoverův bestseller Matematická kniha (v češtině 2012). Oba tituly vydalo nakladatelství Dokořán společně s Argem v populárně naučené edici Zip.

 

 

„Fyzika má rozhodující úlohu pro pochopení světa kolem nás, světa v nás i světa mimo nás,“ uvádí Americká fyzikální společnost, dnes přední profesionální organizace fyziků, založená roku 1899, „ staví výzvy naši představivosti, a to vede k velkým objevům, jako jsou například počítače nebo lasery, které mění naše životy. Navíc tvoří základ mnoha dalších věd, včetně chemie, oceánografie, seismologie a astronomie.“

Z knihy je zřejmé, že vlastní předmět fyziky se měnil v průběhu věků a že ho není snadné vymezit. Autor do něho zahrnul i taková témata jako fyzikální a inženýrské aplikace, pokroky v poznávání astronomických objektů, dokonce i některé otázky přímo filozofické.

Především si vzal za cíl poskytnout širší veřejnosti stručného průvodce důležitými fyzikálními idejemi a přehled myslitelů, kteří za nimi stáli a pomohli nám změnit naše chápání vesmíru – od Isaaca Newtona po Stephena Hawkinga. Tu a tam prozradí i zajímavosti z jejich soukromí – viz v případě vynikajícího britského fyzika a chemika Henryho Cavendishe (1731–1810): Natolik se ostýchal žen, že se svými služebnými komunikoval jen pomoci lístků podstrkávaných pod dveře. Nepřál si žádnou z žen ve své domácnosti ani spatřit, a pokud nepřistoupila na jeho podmínky, propustil ji. Říká se, že když jednou potkal jednu ze svých služebných na schodech, byl tak vyděšen, že nechal v domě postavit zvláštní schodiště pro personál, aby se s nimi nemusel setkávat…

Fyzikální objevy a úvahy představuje Pickover čtivě, v krátkých kapitolách a chronologicky. „Spiše než jako všeobsahující odborné pojednání je kniha míněna jako oddechové čtení pro studenty přírodních věd a matematiky a zainteresované laiky,“ píše. Začíná myšlenkou belgického kněze a fyzika Georgese Lemaître, kterou dnes nazýváme Teorie velkého třesku, a končí Hawkingovými prognózami zániku vesmíru. Dozvíme se, kdy lidé poprvé spatřili odvrácenou stranu Měsíce, v čem spočívá záhada starověké baterie z Bagdádu nebo co jsou to černé diamanty. Budeme se zamýšlet nad prehistorickým jaderným reaktorem, který byl objeven v Africe a vznikl před 2 miliardami let. Účastníme se diskuse o soutěži, jak vytvořit nejčernější černou barvu, vice než stokrát tmavší, než je lak na černém autě.

Některé ze vstupů jsou praktické nebo dokonce žertovné, počínaje kladkami, dynamitem a lasery až k integrovaným obvodům, bumerangům, chytré plastelíně či vynálezu superpružného míčku v roce 1965, který vyvolal vlnu módního šílenství napříč Amerikou. Autor příležitostně zařadil některé podivné nebo šíleně vyhlížející filozofické úvahy a představy, které však mohou být přesto významné jako například kvantová nesmrtelnost, antropický princip nebo tachyony. Občas se špetka informace opakuje, aby se každý vstup dal číst samostatně. Malý oddíl nadepsaný „Viz také“ ke konci každé kapitoly pomáhá čtenáři utkat z jednotlivých vstupů pavučinu souvislosti a přeměnit knihu na hravé pátrání po objevech. 

„Mne fyzika udržuje ve stavu neustálého údivu nad schopnostmi lidského myšlení,“ vyznává se Pickover, „nad fungováním vesmíru a nad možnostmi úvah o našem místě v obrovské prostoročasové krajině, kterou nazýváme domovem.“

 

 

Ukázky z knihy:

 

 

OHEŇ SVATÉHO ELIÁŠE

Gaius Plinius Secundus (Plinius Starší) (23–79)

„Vše je v plamenech,“ vykřikl Charles Darwin na palubě své plachetnice, „osvětlená obloha, voda plná svítících částic, a na stožárech dokonce planou namodralé plameny.“ Darwin pozoroval oheň svatého Eliáše, přírodní jev, který po celá tisíciletí živil různé předsudky. Římský filozof Plinius Starší se zmiňuje o tomto „ohni“ ve své Historii přírody kolem roku 78.

To, co bývá často popisováno jako přízračný modrobílý tančící plamen, je ve skutečnosti atmosférický jev, při němž doutnající plazma (neboli ionizovaný plyn) vydává světlo. Plazma je vytvářena atmosférickou elektřinou a tajuplná záře se často objevuje na vrcholku špičatých objektů, jako jsou kostelní věže nebo stožáry plachetních lodí za bouřlivého počasí. Svatý Eliáš byl patronem námořníků ve Středozemním moři, kteří považovali jeho oheň za dobré znamení – zářil totiž nejjasněji, když se bouře chýlila ke konci. Zahrocené předměty usnadňují vznik ohně svatého Eliáše, protože siločáry elektrického pole jsou v okolí hrotu nejvíce zhuštěny. Na zašpičatělém povrchu vzniká výboj při nižším napětí než na rovném povrchu bez hrotů. Zbarvení ohně ovlivňují sloučeniny dusíku a kyslíku ve vzduchu a s nimi spojená fluorescence. Kdyby atmosféra byla tvořena neonem, oheň by měl barvu oranžovou jako neonové nápisy.

Vědec Philip Callahan píše: „Za temných bouřlivých nocí je oheň svatého Eliáše pravděpodobně původcem většího množství duchařských historek a vyprávění o strašidlech než jakýkoli jiný přírodní jev.“ Ve své proslulé knize Bílá velryba popisuje Herman Melville oheň za tajfunu: „Na konci všech ráhen planul bledý oheň, a jak se dotýkal každého z tříhrotých bleskosvodů třemi bílými plameny, každý ze tří vysokých stěžňů tiše hořel v sirném zápachu jako gigantická svíce před oltářem… Ochraňujte nás, všichni svatí! Na svých cestách jsem málokdy slyšel takovou společnou prosbu, když se spalující prst Boží dotýkal lodi.“

Viz také: Polární záře (1621), Franklinův drak (1752), Plazma (1879), Stokesova fluorescence (1852), Neonové nápisy (1923).

 

NEWTON JAKO INSPIRACE

Isaac Newton (1642–1727)

Chemik William H. Cropper popisuje Newtona takto: „Newton byl největší tvůrčí génius, jakého fyzika kdy měla. Žádný z ostatních kandidátů na takový superlativ (Einstein, Maxwell, Boltzmann, Gibbs nebo Feynman) se nemůže srovnávat s Newtonovými výsledky v úžasné kombinaci teoretika, experimentátora a matematika… Kdybychom uměli cestovat zpět v čase, abychom se mohli setkat s Newtonem v 17. století, měli bychom před sebou umělce, který dokázal rozčílit každého ve svém okolí a pak se postavit na scénu a zpívat jako anděl…“

Newton asi v mnohem větší míře než kdokoli jiný inspiroval následující vědce myšlenkou, že svět je možno pochopit pomocí matematiky. Novinář James Gleick o něm říká: „Isaac Newton se narodil do světa temnot, tajuplna a kouzel, nejméně jednou v životě se potácel na hraně šílenství, a přece pronikl do světa lidského poznání hlouběji než kdokoli před ním nebo po něm. Stal se hlavním architektem moderního světa… Učinil ze znalosti podstatu – kvantitativní a přesnou. Stanovil principy, které nazýváme jeho zákony.“

Richard Koch a Chris Smith poznamenávají: „Někdy mezi 13. a 15. stoletím se Evropa dostala do čela celého světa ve vědě a technice. V následujících 200 letech toto své vedoucí postavení upevnila. Pak v roce 1687 Isaac Newton, který navázal na Koperníka, Keplera a další, přináší velkolepý pohled na vesmír, který je ovládán několika málo fyzikálními, mechanickými a matematickými zákony. Tím nastolil obrovské přesvědčení, že všechno má svůj smysl, všechno do sebe zapadá a všeho je možné dosáhnout pomocí vědy.“

Astrofyzik Stephen Hawking svoji inspiraci Newtonem reflektoval takto: „Nesouhlasím s názorem, že vesmír je tajemstvím. Takový pohled by byl nespravedlivý k vědecké revoluci, kterou započal téměř před čtyřmi sty lety Galileo a v níž pokračoval Newton. Dnes máme matematické zákony, jimiž se řídí všechno, co známe ze své zkušenosti.“

Viz také: Newtonovy zákony pohybu a gravitace (1687), Einstein jako inspirace (1921), Stehen Hawking ve Star Treku (1993).

 

ČERNÉ DÍRY

John Michell (1724–1793), Karl Schwarzschild (1873–1916), John Archibald Wheeler (1911–2008), Stephen William Hawking (*1942)

Astronomové třeba nevěří v peklo, ale většina z nich věří v havranovitě černé oblasti prostoru, před kterými by mohlo být umístěno varování „Vzdej se vší naděje, kdo vstupuješ“, jak říká italský básník Dante Alighieri, když v Božské komedii popisuje vstup do pekla. Astrofyzik Stephen Hawking podotkl, že by to bylo vhodné poselství pro cestovatele, kteří se přibližují k černé díře.

Tato kosmologická pekla skutečně existují ve středu mnohých galaxií. Galaktické černé díry jsou zhroucené objekty o hmotnosti milionů, nebo dokonce miliard našich Sluncí, jež je zhuštěna do prostoru menšího, než zaujímá naše sluneční soustava. Podle klasické teorie černých děr je gravitační pole v jejich blízkosti tak silné, že nic – dokonce ani světlo – nemůže uniknout z jejich pevného sevření.

Kdyby někdo spadl do černé díry, ponořil by se až do malé centrální oblasti s extrémně vysokou hustotou a extrémně malým objemem a zároveň by se pro něho zastavil čas. Podle kvantové teorie by černé díry mohly vydávat určitý druh záření zvaný Hawkingovo záření – viz kapitolu „Stephen Hawking ve Star Treku (1993)“.

Černé díry mohou existovat v různých velikostech.

Jako zajímavou historickou souvislost uveďme, že jen několik týdnů poté, co Albert Einstein v roce 1915 publikoval svou obecnou teorii relativity, vypočítal německý astronom Karl Schwarzschild přesnou velikost takzvaného Schwarzschildova poloměru neboli horizontu událostí, který určuje kulovou plochu, jež obklopuje každé těleso o určité hmotnosti. Podle klasické teorie je gravitační pole uvnitř této plochy obklopující černou díru tak silné, že žádná látka, světlo ani signál z ní nemohou uniknout. Pro těleso o hmotnosti našeho Slunce je Schwarzschildův poloměr jen několik kilometrů, při hmotnosti naší Země má horizont událostí rozměry vlašského ořechu. Jinak řečeno, kdybychom stlačili Zemi do této velikosti, stala by se černou dírou.

S představou o astronomických objektech tak malých, že z nich neuniká světlo (a tedy nejsou vidět), přišel poprvé geolog John Michell v roce 1783, název „černá díra“ poprvé použil teoretický fyzik John Wheeler v roce 1967. (...)

Viz také: Úniková rychlost (1728), Obecná teorie relativity (1915), Bílí trpaslíci a Chandrasekharova mez (1931), Neutronové hvězdy (1933), Stephen Hawking ve Star Treku (1993), Vesmír vadne (100 bilionů let).

 

OBŘÍ VLNY

Jules Sébastien César Dumont d’Urville (1790–1842)

„Od dob nejstarších civilizací,“ píše odbornice na mořskou fyziku Susanne Lehnerová, „bylo lidstvo fascinováno historkami o obřích vlnách. Byla to mořská monstra, vodní věže chystající se pohltit bezmocnou loď. Mohli jste pozorovat vodní stěnu, jak se k vám blíží, ale nebylo úniku ani obrany. Podaří se nám vyrovnat se s takovou noční můrou v budoucnosti? Předpovídat extrémně vysoké vlny? Ovládnout je? Surfovat na nich?“

Může se zdát překvapující, že ani v 21. století nemají fyzikové úplnou představu o chování hladiny oceánů a že ani původ obřích vln není zcela objasněn. V roce 1826 francouzský výzkumník a námořní důstojník kapitán Dumont d’Urville podal zprávu o pozorování oceánské vlny o výšce 30 metrů (přibližně výška desetipatrové budovy) – a sklidil posměch. Dnes pomocí satelitního sledování hladiny oceánů a s použitím matematických modelů, které udávají teoretickou pravděpodobnost rozdělení mořských vln, víme, že vlny takové výšky se objevují častěji, než bychom očekávali. Představte si hrůzu námořníků uprostřed oceánu, před nimiž náhle bez jakéhokoli varování, a dokonce za jasného počasí vyroste vodní stěna takové vlny. Před ní se přitom vytvoří gigantická prohlubeň, skutečná „díra“ v oceánu.

Jedna z teorií předpokládá, že mořské proudy a tvar mořského dna působí podobně jako optické čočky a soustřeďují pohyb vln do ohniska. Je také možné, že vysoké vlny vznikají, když se spolu křižují vlny vycházející ze dvou různých bouří. Matematicky popisujeme takový efekt jako nelineární a zřejmě ho ovlivňuje řada dalších faktorů. Podobně vysoké vodní stěny se mohou objevit i na relativně klidném moři. Než se obří vlna zlomí, dosahuje její hřeben čtyřnásobné výšky ve srovnání s výškou hřebene sousedních vln. Celá řada vědeckých pojednání se pokoušela vysvětlit vznik obřích vln s použitím nelineární Schrödingerovy rovnice.

Také vliv větru na formování těchto vln byl předmětem rozsáhlých teoretických studií. Obří vlny na oceánu mají na svědomí často nevysvětlitelnou ztrátu mnoha velkých lodí a mnoho lidských životů. Vědci se proto usilovně snaží zjistit, jak předpovídat jejich vznik, aby se jim dalo vyhnout.

Viz také: Fourierova analýza (1807), Soliton (1834), Maximální rychlost tornáda (1999).

 

© 2011 by Clifford A. Pickover

Translation © Ivan Štoll, 2015

ISBN 978-80-7363-609-8 (Dokořán)

ISBN 978-80-257-1658-8 (Argo)

 

AddThis Social Bookmark Button

Předplatné Literárních novin můžete objednat zde.

Aktualizováno ( Sobota, 28 Listopad 2015 13:54 )  

banner Pidivadlo

Partneři

 Divadlo v Dlouhe logo  logo Českých center

VOŠH logo v barvě
www.vosherecka.cz