Fyzika

Výpisky z Feynmanových přednášek

Vše, co víme je jen určitým druhem aproximace, protože víme, že neznáme všechny zákony. (Příklad: hmotnost uvažujeme jako konstatní, ale s rychlostí se nepatrně mění, hodně se mění při rychlostech blízké rychlosti světla)

Princip vědy (skoro definice): Prověrkou všech našich vědomostí je experiment. Experiment je jediné kritérium vědecké ""pravdy".

Samotný experiment nám při tom pomáhá odvozovat zákony v tom smyslu, že nám poskytuje náznaky, pokyny.

Je nutná velká představivost, abychom v těchto náznacích dokázali odhalit velká zobecnění.

1) Atomy v pohybu

Látka se skládá z atomů

Všechny věci se skládají z atomů, jež jsou v neustálém pohybu a vzájemně se přitahují, když jsou od sebe trochu vzdálené, ale odpuzují se, když jsou těsně u sebe.  - V této větě je obsaženo nesmírně informací o světě. Atomy mají poloměr 1x10⁻¹⁰ až 2x10⁻¹⁰ (zvětšíme-li jablko na velikost Země budou atomy v něm přibližně velké jako původní jablo). Voda například udržuje objem díky přitažlivosti atomů. Zahříváme-li vodu roste pohyb a roste i vzdálenost mezi částicemi. V určitém momentě je přitažlivost mezi molekulami už nedoáže udržet pohromadě. Částice přestanou být vzájemně svázané a rozlétají se od sebe.

Tlak a síla - máme uzavřenou nádobu, kde stačujeme plyn tlakem. Jeho částice naráží do stěn a tím onen tlak vytváří. Sílu, kterou musíme vyvinout, aby píst zůstal na místě se rovná ploše pístu vynásobené tlakem. (Větší plocha pístu => bude do něj narážet větší počet částic) Když zvýšíme objem plynu, zvýší se tlak, když zvýšíme teplotu, atomy naráží do stěn silněji a také se zvýší tlak. - Jednoduché myšlenky atomové teorie. Když píst stlačujeme a ten naráží do stojících atomů, tak je rozpohybuje, ty jsou pak teplejší. Při pomalém stačování plynu jeho teplota narůstá, při pomalém rozpínaní klesá.

Led - snížíme teplotu, částice se přestanou pohybovat a díky přitažlivé síle mezi atomy se ustálí - každý atom má v této látce určité místo. Rozdíl mezi kapalnými a pevnými látkami je v tom, že atomy pevné látky jsou uspořádány zvláštním způsobem - toto uspořádání se nazývá krystalická struktura. Poloha atomu na jednom konci krystalu je určena polohou na druhém konci, i když se mezi nimi nachází miliony jiných atomů. To má zvláštní charakteristiky, například u ledu je hexagonální symetrie. Otočíme-li atomový snímek vody o 120 stupňů, dostaneme stejné seskupení - příčina šestihranného tvaru sněhových vloček. Když led taje, jeho objem se paradoxně zmenšuje. Obsahuje totiž spoustu dutit a ty lze při uvolňovaní struktury vyplnit. Voda je při tomto procesu jednou z vyjímek, většina jednoduchých látek při tání svůj objem zvětšuje. Led ovšem nějaké teplo většinou má (pokud není zmražen na absolutní nulu), jeho teplo způsobuje, že jeho atomy kmitají "na místě" v pevné struktuře. Zvyšujeme-li amplitudu kmitání zahříváním, tak v nějakém bodě atomy opustí strukturu - tomuto procesu říkáme tání. Při teplotě absolutní nuly je kmitání nejslabší, ale ne nulové. Výjimka v pevné struktuře - Hélium: zmražením na absolutní nulu snížíme kmity na nejmenší možnou míru, ale i ta stačí k zabránění vytvoření pevné strunktury. Helium nezmrzne pokud nevytvoříme dost silný tlak na to, abychom stlačili atomy k sobě.

Atomové procesy

Atomová hypotéza charakterizuje i procesy. Procesy na povrchu vody: nad vodou jsou molekuly kyslíku, dusíky, molekuly páry (to především..). Molekuly do vody naráží, vychylují její molekuly a ty se mění na páru. Jindy je molekula páry absorbována vodou - neustálý dynamický proces, kde se do vody vrácí právě tolik molekul, kolik z ní odešlo (uzavřený systém)!!! Když chceme, aby se voda vypařovala, tak stačí zapnout ventilátor a odvádět pryč vlhký vzduch. - Molekula vody opouští vodu, kdyz získá dodatečné množství energie, aby překonala přitažlivou sílu svých sousedů. Vodu tím opouští nadprůměrné energické molekuly a zbytek vody se tím pádem ochlazuje. Pokud voda přitahuje molekulu páry, přitažlivost ji zrychlý a potom dojde k oteplení celé vody. - Při vyrovnání obou procesů (odchod i příchod molekul) se teplota nemění. Princip foukání do polévky pro její ochlazení - chceme, zvýšit poměr ve prospěch migrujících molekul. Někdy se do vody dostane vzduch (kyslík, dusík..) Když z uzavřené nádoby s vodou odstraníme vzduch, začnou molekuly vzduchu z vody unikat rychleji, než vnikají - vystupovaní bublinek.

Sůl rozpouštějící se ve vodě: Krystal soli není tvořen atomy, ale ionty. Iont je atom, který má několik elektronů navíc, nebo několik elektronů ztratil. V krystalu soli nelézáme atomy chlóru s přebytečným elektronem a atomy sodíky zbavené jednoho elektronu. Ionty jsou v krystalu vzájemně vázány elektrickou přitažlivostí, ale ve vodě se některé z nich pod vlivem přitsažlivosti záporného kyslíku a kladného vodíku začnou uvolňovat. - Tání soli ve vodě - elektrický jev - sůl není molekula v pravém slova smyslu! Když je ve vodě mnoho soli, více "atomů soli" se vrací, než uvolňuje a dochází ke krystalizaci.

Chemická reakce

V předchozích procesech neměly atomy své partnery. Za určitých okolností, ale může dojít k vytváření nových molekul - chemická reakce. Uhlík hořící v kyslíku: uhlík se dostane do kontaktu s kyslíkem O2  a dojde k novému seskupení uhlík-kyslík (CO). Uhlík váže kyslík o mnoho silněji než kyslík kyslík v O2 nebo než uhlík váže uhlík. Kyslík může přicházet s malou energií, ale uhlík a kyslík se spojí velmi energicky a uvolněnou energii pohltí okolní atomy - velké množství pohybové, kinetické energie - hoření - horký plyn, který je tak zahřátý, že vzniká světlo - plamen. Když je reace rychlá a kyslíku málo, vzniká oxid uhlelnatý, jinak oxid uhličitý. V mnoha molekulárních přeskupeních vzniká mnoho energie - výbuchy, plamen atd.

Malé okénko do chemie: V chemii ze zjišťuje podoba molekul pomocí zbarvování vody ve zkumavkách. Jedním z problémů v chemii je tvorba názvosloví. Jméno molekuly musí popisovat nejen její tvar, ale musí vyjadřovat i to, že tam a tam je kyslíkový atom, tam vodíkový, musí přesně řikat, kde jsou.

Jak víme, že atomy existují? 

Předpokládáme, že existují a všechny experimenty vychází v souladu s tímto předpokladem. Přímější důkaz je to, že vložíme velmi malé částečky (koloidy) do vody a pod mikroskopem můžeme vidět, jak neustále poskakují jako následek toho, že jsou bombardovány atomy. Tento jev se nazývá Brownům pohyb.

Další důkaz můžeme vidět ve struktuře krystalů. Rentgenová analýza úhlů, které souhlasí s geometrií atomového modelu.

Klíčová hypotéza je, že vše se skládá z atomů! 

Vsuvka KM

"To, co kolem sebe vidíme a co můžeme smysly pochopit, je jediným mořem hmoty. Ta se nám zdá být pevná a skutečná. A přece jejím rozborem poznáme, že neexistuje. Je to jen určité kolotání elektronů, stavba atomů, spousta vln, působících sugestivně na mysl a smysly a vynucujících tím pojem skutečnosti. vnímáme. Proto se musíme chopit jistých duševních cvičení, jejichž pomocí lze probudit vnímání nadsmyslové. Jím pak musíme sledovat všechno dění. Jakmile se nám podaří probudit nadsmyslové vnímání, uvidíme, že se zdánlivě pevná hmota rozpadá na pouhé vlny, jejichž podkladem je univerzální Nic. A tím se dostaneme ke kořenům celé jsoucnosti. 

"Ostatně vyjde vždy najevo, že je hmota přelud. Nač potřebuji vědět, že určité seskupení atomů tvoří skutečnost, kterou označujeme slovem voda a jiné zase skutečnost, která se nám zdá být hlínou? Chci se dostat z tohoto začarovaného kruhu zdánlivých existencí, kde je sice hodně zajímavostí, ale jejichž vnímání musím tak draze platit duševním utrpením."

Atom (z řec.) nejmenší část chemického prvku, skládající se ze záporně nabitých elektronů a kladně nabitého jádra, jejichž elektromagnetická energie je vyvážena, pokud ovšem vnějším působením nevznikne porucha v uspořádání jádra nebo elektronů. Tato teorie potvrzuje skutečnost, že a. (prvek, hmota) je jistým stavem elektromagnetického napětí a tím ovšem něčím, co není tak pevné, jak se jeví lidským smyslům.

"Celý atom představuje uzavřenou sféru, jejíž prostory se nazývají pole. Dík tomuto fyzikálnímu vysvětlení stavby atomu se svět stává v univerzálním smyslu iluzí, neboť jeho základní částice, atomy, jsou na své poměry soustavou s nekonečnými prázdnými prostorami, které se jeví jako pole. Materialisté se tomuto poli snaží přiznat hmotný charakter, ale smyslově je můžeme identifikovat pouze jako prázdnotu, která se za jiných okolností poznává jako hmota. Vzhledem k tomu jsou e. a jiné částice pole atomu něco podobného jako jednotlivé hvězdy v kosmu, kde tyto hvězdy nalézají gravitační prostředí jako e. a jiné částice v poli atomu. Je-li nám libo, můžeme nekonečné prostory mezi jednotlivými hvězdami považovat za hmotu; bude to stejné, jako když pokládáme za hmotu pole atomu A je-li e. a všechny ostatní částice v poli atomu pouhým jevem v tomto poli pak i hvězdy v nekonečném vesmírném prostoru mohou být něčím podobným, když zaujmeme k tomuto problému příslušné stanovisko. Ale výraz "jev v poli" už sám sebou umožňuje předpokládat, že pole je něčím odlišným od jevu v něm. Zkrátka se tu ocitáme na stanovisku, při němž je věcí vkusu, jestli pokládáme pole za hmotu nebo za prázdnotu."

2) Základy fyziky

Co to znamená něco "pochopit"? Můžeme si představit, že to složité nahromadění pohybujících se věcí, které vytvářejí "svět", je šachová hra bohů a my vystupujeme jako diváci, kteří neznají pravidla hry, ale je jim dovoleno hru pozorovat. Pravidla hry představují to, co chápeme jako základní fyziku. Fyzika je jako objevovaní pravidel šachu a snaha na základě toho něco předvídat. 

Cílem fyziky je pochopení celé přírody jako různých aspektů jednoho souboru jevů. Příklad sjednocování ve fyzice: Teplo a mechanika -  Jsou-li atomy v pohybu, obsahuje systém tím více tepla, čím více pohybu v něm je, takže teplo a všechny tepelné efekty je možné vyjádřit pomocí zákonů mechaniky. Nebo: objevení souvislostí mezi elektřinou, magnetismem a světlem - různé aspekty jedné věci., kterou dnes nazýváme elektromagnetické pole. Chemické děje, vlasnosti různých látek, chování atomových částic byly sjednoceny do kvantové chemie.

Následuje ukázka toho, jak proces sjednocování pokročil a jaká je dnešní situace při objasňování základních jevů pomocí co nejmenšího počtu principů. Jinak řečeno: z čeho jsou složeny věci a kolik je těch stavebních prvků?

Fyzika před rokem 1920

Představa: Scéna kde vystupuje vesmír je 3D geometrický prostor popsaný Euklidem a věci se mění v prostředí, které nazýváme časem. Prvky na scéně jsou částice, například atomy, které mají určité vlastnosti. Především vlastnost setrvačnosti. Druhým prvek po částicích jsou síly. Vědělo se že existuje gravitace a síly mezi čísticemi, ale nevědělo se proč gravitace existuje nebo proč funguje setrvsačnost. Také byl problém třeba proč se kyslík pojí s jedním nebo dvěmi atomy uhlíku, ale ne s více?

Podstatou interakce mezi atomy je elektrické působení. (kladně a záporně nabité částice interagují). Většinou jsou díky přitažlivosti atomy ve vyváženém stavu, ale lze na krátkou dobu tuto rovnováhu porušit a pak jsou elektricé síly nevyvážené a a můžeme pozorovat působení elektrické přitažlivosti.

Dvě zrnka písku o průměru milimetru vzdálené od sebe 30 metrů by se přitahovala silou tří milionů tun, kdyby elektrické síly mezi nimi nebyly vyvážené. Pro elektrické působení stačí jen velmi malý přebytek nebo nedostatek záporných nebo kladných nábojů - z toho důvodu není vidět rozdíl mezi elektricky nabitým a nenabitým předmětem. Stačí vyvést z rovnováhy tak málo částit, že se to na hmotnosti či rozměru neprojeví.

Chemické vlasnosti atomu závisí pouze na tom, kolik má atom elektronů. Chemické vlastnosti látek závisí na jediném čísle!! Na počtu elektronů.

Existence kladně nabité částice v prostoru způsobuje jeho jisté zakřivení, tak že negativní částice v daném prostředí "ví" o jeho silovém působení. Tato možnost vzniku síly se nazává elektrické pole. Dostane-li se elektro do elektrického pole, je jakoby tažen, přitom platí dvě pravidla a) náboje vytváří pole b) v poli působí na náboje síly a náboje se pohybují. Měnící se elektrické pole nemůže existovat bez magnetismu.

Když jsou ve vodě dva splávky a jeden začneme rozkmitávat, vytvoří vlny, jedna vlna bude pohádět druhou a rozkmitá druhý splávek. Zde již nelze mluvit o přímém působení splávku na splávek, je zde působící médium - voda. V případě elektrických nábojů je touto vodou elektromagnetické pole.

Elektromagnetické pole může přenášet vlny. Některé z těchto vln jsou světlo, jiné se používají při rádiovém vysílání, ale obecně se nazývají elektromagnetickými vlnami. Tyto vlny mohou mít rozmanité frekvence - to je jediné, čím se liší. Když pohybujeme nábojem sem a tam a děláme to čím dál tím rychleji, vznikne celá řada jevů, které lze systematizovat udáním čísla počtu kmitů za sekundu. Rozvodové sítě v domech 100 kmitů za sekundu (100Hz).  500-100kHz - rozhlasové vysílání. Pak následuje televizní vysílání, radiolokace. Kdybychom hýbali nabitým hřebenem tak, aby kmital frekvencí od 5*10¹⁴ Hz do 5*10¹⁵ Hz viděli bychom toto kmitání jako červené, modré nebo fialové světlo v závislosti na frekvenci. Pod je infračervená kategorie kmitu a nad je ultrafialová. Potom následují rentgenové paprsky, potom gama záření.

Kvantová fyzika

Zmíněné vlny se chovají neobvykle, jakoby to ani nebyly vlny. Při vyšších frekvencích se podobají částicím. Jejich neobvyklé chování vysvětluje kvantová mechanika, jejíž vznik je spojován s obdobím těsně po roce 1920. Již před rokem 1920 pozměnil Einstein geometrickou představu vedmíru - prostor a čas spojil do časoprostoru a jeho zakřivením vysvětlil gravitaci. (gravitace je modifikací časoprostoru). Zjitilo se déle, že Newtonovi zákony v malém světě částic neplatí.

Newtonovu mechaniku zde nahrazuje kvantová mechanika. Kvantová mechanika vylučuje předpoklad, že částice má určitou polohu a určitou rychlost. (Není možné vědět současně, kde se něco nachází a jak rychle se to pohybuje). Součin těchto dvou neurčitostí je komplementární a konstantní.

Proč se kladné a negativní částice nespojí a vzájemně nevyruší? Proč elektrony obíhají v určité vzdálenosti? Co brání elektronu prostě spadnout? Uvedený princip neurčitosti. Kdyby byly elektrony v jádru, znaly bychom jejich polohu a princip by vyžadoval, aby měli velou neurčitou hybnost. (velkou kinetickou energii). To by je ale odtrhlo od jádra. 

Důsledem principů kvantové mechaniky je, že není rozdíl mezi vlnou a částicí. Kvantová mechanika sjednocuje myšlenku pole, jeho vln a částic v jedno.

Kromě elektronu, protonu a neutronu existuje také foton! Nový pohled na interakci elektronů a protonů, tj. elektromagnetickou teorii, která zároveň splňuje zákonitosti kvantové mechaniky, nazýváme kvantovou elektrodynamikou. Tato základní teorie interace světla a hmoty, nebo elektrického pole a nábojů, je dosud největším úspěchem fyziky. - Tato teorie obsahuje celou fyziku vyjma gravitace a jaderných procesů. Co se týče jader, nevíme jestli jde o výjimku, prostě jen nevíme, co se v nich odehrává.

Do kvantové elektrodynamiky se vkládají dvě čísla a o ostatních se předpokládá, že jsou následkem oněch dvou. Tyto čísla jsou hmotnost elektronu a jeho náboj.

Foton je přenašeč elektromagnetické síly!!!!  Třeba ve vodiči se elektorony pohybují pomalu (driftová rychlost - často několik mm/sekundu) Téměř rychlostí světla se drátem pohybuje elektromagnetické pole, které elektrony tlačí dopředu.

Kvantová mechanika je matematická teorie částic.

Jádra a částice

Jádra jsou udržována obrovskými silami. (atomová bomba - změny v jádru, výbuch TNT - změny v elektronovém obalu)

I síly mezi protony a neutony mají svá pole, která se chovají jako částice. Úlohu fotonu tam hraje pion.

Hmotnost částic se uvádí pro jejich klidový stav, foton se neustále pohybuje rychlostí světla a tak se uvádí nulová hmotnost. (viz teorie relativity)

Čtyři druhy interakcí mezi částicemi: Od nejsilnější - jaderná síla, elektrická interakce, interace při beta rozpadu a gravitace. Foton váže všechny nabité částice a sílu této interakce je možné charakterizovat určitým číslem.

Elektrická vazba = foton + nabité částice

V současné fyzice se dle Feynmena zdá, že kromě jádra známe všechno. Nová scéna, kde se vše odehrává, není Euklidovský 3D prostor, ale relativistický prostoročas.....