FYZIKA, JAKO VĚDA SJEDNOCUJÍCÍ PŘÍRODNÍ VĚDY, FILOZOFII A TECHNIKU prof. Ing. Bohumil Vybíral, CSc. Podpora přednášky kurzu Mezioborové dimenze vědy
Fyzika jako věda v sjednocující filosofii, přírodní vědy a techniku Prof. Ing. Bohumil Vybíral, CSc. katedra fyziky PřírodovP rodovědecké fakulty UHK
Osnova přednášky Fyzika jako věda (s důrazem na experiment ve fyzice) O poznatelnosti světa gnoseologie Fyzika v toku dějin a) Klasická mechanika b) Klasická teorie gravitace c) Teorie elektromagnetického pole d) Speciální teorii relativity e) Obecná teorie relativity f) Kvantová fyzika g) Atomová a jaderná fyzika Fyzika jako základ ostatních přírodních věd Fyzika jako základ technických aplikací Problémy, trendy a perspektivy současné fyziky
1. Fyzika jako vědav 1.1 Fyzika a její role ve společnosti Fyzika je přírodní věda, která zkoumá nejobecnější zákonitosti jevů přírody, stav látek a jejich změn, stavbu a vlastnosti hmoty a zákony jejího pohybu. Fyzikální poznávání je členitý, složitý proces, jež poskytuje modely chování objektů a modely struktur a směřuje kvytváření co nejúplnějšího obrazu světa a jeho změn. Je to proces, v němž hraje rozhodující roli člověk fyzik, který přírodu pozoruje, experimentuje, měří a formuluje fyzikální zákony ve formě matematic. modelů dějů a stavů. Je nesprávné tvrdit, že příroda se řídí přírodními zákony. Příroda se řídí sama podle sebe, člověk ji pozoruje dějů a stavů látek, matematicky popsat fyzikálními zákony.
. Vlastností člověka, která jej odlišuje od ostatních živých tvorů, je jeho touha poznávat svět, v němž žije a využívat dosažených poznatků pro svou existenci. Role fyziky, jako vědy je tedy nejen poskytovat modely, nýbrž a především hledat pragmatické vyústění zákonitostí v technických aplikacích - to již nedělá fyzik, nýbrž technik. Důsledkem výsledků tohoto procesu poznávání a aplikací však bývá i jeho zneužívání určitými skupinami lidí pro mocenské, kořistnické i zločinecké cíle. Fyzika a aplikace přírodních zákonů člověkem v technice má velký zpětný vliv na vývoj celé společnosti (viz století páry, století elektřiny, nyní století informačních technologií počítačová gramotnost).
1.2 Stupně fyzikáln lního poznávání Fyzikální poznávání je členitý, složitý proces, který lze rozložit na několik etap: experiment, hypotéza (pořadí zde bývá často obrácené), fyzikální zákon, obecný (fyzikální) princip, fyzikální teorie. Kritérium správnosti fyzikální teorie je fyzikální experiment
1.3 Fyzikáln lní experiment Starověk k (Aristoteles) experiment odmítal (jako umělé zasahování do dějůd v přírodp rodě) 16. století,, renesance G. Galilei na experimentu buduje vědeckou metodu zkoumání: Vytvořit hypotézu na základz kladě dosavadní zkušenosti, intuice nebo vrozených pravd. (1564 1642) Ověř ěřit hypotézu smyslovou zkušenost eností nebo experimentem entem. Provést dedukci hypotézy na jevy dosud neznámé.
Vědecké experimenty: 1. Heuristické (objevné) kdy účelem je nalézt dosud neznámou zákonitost. z 2. Verifikační (ověř ěřovací) kdy účelem je ověř ěřit platnost zákona, z který byl získz skán deduktivním m teoretickým postupem, anebo ověř ěřit meze platnosti zákona z pro jiné podmínky.
Vědecké experimenty z jiného hlediska: 1. Re 2. My 3. Po Reálné sledujeme reáln lně probíhaj hající fyzikáln lní děje a měříme je reálnými přístroji p v reáln lném čase. Myšlenkové myšlenkov lenkově navozujeme podmínky a postup, očeko ekávané výsledky se neměř ěří,, avšak ak deduktivně se odvozují ze známých zákonz konů za idealizovaných podmínek. PřinP ináší nové poznatky bez ohledu na to, zda je skutečně realizovatelný. Počítačové matematicky se simuluje průběh možných jevů postavený na aplikaci známých fyz. zákonů.
Fundamentáln lní experimenty Experimenty, které tvoří základní východiska pro utvářen ení fyzikáln lní teorie anebo ověř ěřují jejich významné teoretické dedukce se označuj ují jako fundamentální experimenty. Patří k nim jak významné experimenty heuristické,, tak některn které experimenty verifikační.
Vývoj náron ročnosti experimentu Někdejší romantika fyzikáln lního bádání. b Příkl.. ze 17. stol.: Otto v. Guericke experimentuje r.1672 s třect ecím elektrickým strojem :
Současn asné experimenty jsou náron ročné materiálov lově i lidsky (Americký urychlovač TEVATRON, 2 vědev dečtí asistenti uvnitř trubice 6,7 km dlouhé)
2. O poznatelnosti světa gnoseologie Gnoseologie (noetika, teorie poznání) ) jako filosofická disciplína, se vymezila jako nauka o poznání,, jeho zdrojích a příslup slušných podmínk nkách. Poznání je proces, při p i němžn subjekt (člověk jako pozorovatel nebo experimentátor tor) získává informace o objektu (předmětu poznávání), přičemp emž dochází k reflexi,, k vytvářen ení pokud možno věrnv rného (pravdivého) obrazu o objektu.
Otázka poznatelnosti objektu 1. Při i poznávání nesmí docházet k ovlivňov ování objektu subjektem, a tím t m ke zkreslení získávaných poznatků o něm. n 2. Oblast fyziky: Objekty megafyzikáln lní (k ovlivňov ování z principu docházet nemůž ůže) Objekty makrofyzikáln lní (ovlivňov ování je principu možné přizpůsobit podmínky experimentu, aby k němu nedocházelo) Objekty mikrofyzikáln lní (v důsledku d platnosti Heisenbergovy relace neurčitosti pro polohu a hybnost, resp. pro energii a časový interval, vznikají pochybnosti o možnosti úplného poznání mikrosvěta ta).
Filosofové a fyzici Od vlastní filosofie postupně oddělily disciplíny, které byly původnp vodně chápány jako filosofické - psychologie, logika, filosofie jazyka, filosofie vědyv a do jisté míry i fyzika (fyzika se např.. ještě ve 20.letech 20. stol. studovala na UK v Praze na filosofické fakultě). Odtržen ení fyziky od filosofie fyzikáln lnímu oboru do jisté míry pomohlo,, protože e ve 20. stol. došlo k prudkému rozvoji fyziky s četnými aplikacemi. Avšak citelně chybí těsnější interakce mezi obecnými fyzikáln lními obory a filosofií.. Trpí tím m jak filosofie (navíc filosofové často nejsou sto do hloubky chápat nejnovější fyzikáln lní poznatky), tak i fyzika (filosofie( pro ni vytváří potřebnou obecnou metodologii, a to právě v rámci gnoseologie).
Proces fyzikáln lního poznávání Čtyři i hypotézy o poznávání 1. Proces poznávání světa je neomezený. 2. Každý kvalitativně nový prostředek vytváří podmínky pro kvantitativní pokrok v procesu poznávání. 3. Relativní přírůstek poznatků o světě je úměrný časovému intervalu, v němž poznávac vací proces probíhá. 4. Získané fyzikáln lní poznatky o světě člověk cílevědomě využívá pro svou další činnost.
Neomezenost poznávání Člověk k je schopen poznat zejména vše v e to, co potřebuje poznat. Poznání bude vždy v pouze 1. částečné, 2. přibližné (závisl vislé na rozlišovac ovací schopnosti našich smyslových orgánů a přístrojp strojů), 3. relativní (podmíněné jak nedokonalostí smyslových orgánů člověka a použitých přístrojů,, tak i dosaženým stupněm m vývoje společnosti nosti).
O impulsech poznávání Kvalitativně nový prostředek (přístroj), zkonstruovaný na základz kladě aplikace dosavadních fyzikáln lních poznatků, vyvolá kvantitativní pokrok v další ším procesu poznávání. Několik příkladp kladů:
Dalekohled Příklady: G. Galilei (1609) Hubbleův kosmický dalekohled (1990) VLT (Very( Large Telescope) - chilské Andy (2004)
Hubbleův kosmický dalekohled schéma Hl. zrcadlo Ø2,4m dl. 13,1 m hmotnost 11,6 t
Hubbleův kosmický dalekohled provozní snímek
VLT (Very Large Telescope) 2004, chilské Andy 2635 m n.m.
VLT (Very Large Telescope) 4 dalekohledy, zrcadla Ø 8,2m, každé 45t
Mikroskop (1590 Z. Jansen) Elektronový mikroskop (1937) Dosahuje zvětšení až 10 5, (až 100krát větší než u optického mikroskopu). Rastrovacím elektronovým mikroskopem se podařilo zobrazit i jednotlivé atomy Kontura povrchu grafitu zobrazená na rastrovacím tunelovém elektronovém mikroskopu
Optická spektráln lní analýza Polarograf Cyklotron Laser (1960) (1859 W. R. Bunsen a G. Kirchhoff) (1922-1925,, J. Heyrovský,, M. Shikata) (1930 E. O. Lawrence) Družice Země,, kosmické sondy a lodi (od roku 1957) Všechny tyto prostředky vedou ke zrychlování procesu poznávání
3. Fyzika v toku dějind Cesty fyzikáln lního poznávání nebývají přímé. Fyzikové často museli provést řadu dílčích d pozorování a experimentů než mohli provést jeden experiment fundamentáln lní. Hodnocení vývoje významných ých fyzikáln lních oborů: a) Klasická mechanika, b) Klasická teorie gravitace, c) Teorie elektromagnetického pole, d) Speciáln lní teorii relativity, e) Obecná teorie relativity, f) Kvantová fyzika, g) Atomová a jaderná fyzika.
Klasická mechanika Přednewtonovské období (L. da Vinci, G. B. Benedetti,, G. Galilei,, V. Viviani, G. A. Borelli,, R. Hooke,, M. Marci, Ch. Huygens). Newtonova syntéza (1687). Nelze označit určitý experiment za fundamentáln lní - s výjimkou Galileových pokusů s volným pádem p a pohybem po nakloněné rovině (Pisa, kolem r. 1590).
Klasická teorie gravitace Přednewtonovské období (přelom 16.-17. 17. stol.): pozorování planet T. Brahem, analýza Joh. Keplerem - formulace třít zákonů o pohybu planet (1609, 1619). Zákon všeobecnv eobecné gravitace (Newton, 1686). Verifikace a měřm ěření gravitační konstanty - (Cavendish,, 1798).
Isaac Newton (1643 1727)
Cavendishovy torzní váhy (r. 1798, přesnost p 1%) m = 730 g M = 158 kg
Klasická teorie elektromagnetického pole Do konce 18. stol. byly známy jen některn které jevy z elektřiny a magnetismu, a to pouze kvalitativně a bez vzájemn jemné souvislosti. Roku 1785 provedl Coulomb fundamentáln lní experiment, při p i němžn měřil elektrostatické sily na torzních vahách. Kvantitativně forumuje silové půsovbení mezi dvěma bodovými náboji. n (Coulombova magnetostatická měření,, která předcházela, byla rovněž historicky významná).
Experimentáln lní počátky nauky o elektřin ině a magnetismu 1628: William Gilbert: Nová fyzika o magnetech, zmagnetizovaných tělesech a o velkém magnetu Zemi Shrnuje základnz kladní kvalitativní poznatky o elektřin ině a magnetismu své doby
Fundamentální Coulombův elektrostatický experiment (1785)
Fundamentáln lní Coulombův elektrostatický experiment
Coulombův zákon elektrostatiky (1785) Charles Augustin de Coulomb (1736 1806) Popisuje silové působení mezi dvěma bodovými náboji v izolujícím m prostřed edí Fundamentáln lní zákon elektromagnetického pole
Zdroj stejnosměrn rného proudu Voltův článek (1800)
Elektrodynamika Roku 1820 provádí Oersted jednoduchý fundamentáln lní heuristický experiment
HANS CHRISTIAN OERSTED (1777-1851) 1851) zahájil sérii s objevů o vzájemn jemné souvislosti elektrických a magnetických jevů
Biotův Savartův přístroj (1820)
Pierre Simon Marquis de Laplace (1749 1827) Byl vynikajícím matematikem, fyzikem, astronomem. Na doporučení d Alemberta se stal profesorem na vojenské škole v Paříži. Jeho posluchačem byl také Napoleon Bonaparte Jeho největším přínosem je teorie pravděpodobnosti, teorie parciálních diferenciálních rovnic a teorie potenciálů. Elektromagnetismem se zabýval jen okrajově, ale přesto významně přispěl k jeho jasnému matematickému vyjádření.
André Mária Ampère (1775 1836) Ampèr r inspirován Oertedovými pokusy, o kterých se dozvěděl l již 11. záříz 1820 na zasedání Akademie věd, v se pustil do intenzivní experimentátorsk torské a matematické práce a již za týden předlop edložil Akademii novou, jednotnou soustavu elektromagnetických zákonz konů,, které nazval elektrodynamika. Ampèr r zjišťoval, jak prostřednictv ednictvím magnetismu na sebe působp sobí dva proudovodiče.
Ampérův zákon o silovém m působenp sobení mg. pole na proudový element
Michael Faraday (1791 1867) Ve 13ti letech se stal poslíčkem jednoho londýnského knihkupectví. Zde se později vyučil knihařem a jak sám říkal, knihy, které před den vázal po nocích, četl a to hlavně pojednání o elektřině v Britské encyklopedii. Od jednoho zákazníka vstupenku na cyklus přednášek z fyziky a chemie slavného vědce sira Humphreye Davyho (1778-1829). Faraday tato přednášky nadšeně navštěvoval a zaujali ho natolik, že po ukončení cyklu v roce1813 požádal Davyho o přijetí za asistenta. Faraday měl geniální intuici a své výzkumy prováděl výhradně experimentálně. Protože neměl matematické vzdělání, nepoužíval matematiku a vyjadřoval se jen verbálně.
Michael Faraday - experiment Origináln lní kresby, kterými Faraday doplnil své poznámky: Skutečné provedení cívky:
Faradayovy experimenty s elektromagnetickou indukcí (1831)
Faradayovy experimenty s elektromagnetickou indukcí (1831) - schémata
Čtyři experimentální pilíře elektromagnetismu 1. Coulombův zákon kon elektrostatiky základní pilíř 2. Na základz kladě experimentů Biota, Savarta formuluje roku 1821 Laplace zákon - druhý pilíř elektromagnetismu zákon o magnetických účincích ch el. proudu. etí pilíř zákon o silovém m působenp sobení mg. pole na proudový element - formuluje Ampère na z 3. Třet na základě svého fundamentáln lního experimentu z roku 1826. 4. Roku 1831 objevuje M. Faraday - zákon elektro- magnetické indukce.. K němu dospívá po sedmiletém experimentování (zákon lze z části teoreticky odvodit z předchozích zákonz konů) pak jde o fundamentáln lní experimenty verifikační.
Wilhelm Eduard Weber (1804 1891) Po habilitaci vyučoval na univerzitě v Göttingenu. Zde navázal na osobní přátelství s Gaussem a spolupracoval s ním, zejména na teorii geomagnetismu. Poté působil na univerzitě v Lipsku. V 19. století byl v Německu považován za nejvyšší autoritu v elektromagnetismu. Weber vycházel z Ampèrovy elektrodynamiky a snažil se odstranit některé její nedostatky. Pokusil se přeformulovat Ampèrův zákon tak, aby zahrnoval i Coulombův zákon (formuloval zákon o silovém působení mezi dvěma pohybujícími se náboji).
Historický fundamentáln lní Weberův v exp. (1852( 1852) můstek mezi klasickou teorií elektromagnetického pole a teorií relativity
James Cleark Maxwell (1831 1879) Narodil se 13. 6. 1831 v Edinburgu v rodině skotské šlechty (právě v roce 1831 Faraday elektromagnetickou indukci). nižší objevil Od roku 1850 studoval na univerzitě v Cambridge. V roce 1855 složil zkoušky ky učitelsku itelské způsobilosti na Trinity College a přednp ednáší hydrostatiku a optiku. V pedagogické práci však v přílip liš nevynikal a proto se vrátil domů do Skotska a do Cambridge se již nevrátil. Svůj čas tráví na svém m statku v Glenlairu,, kde jako soukromý vědec v dovršil svoji teorii elektromagnetismu, která roku 1873 vyšla pod názvem n A Treatise on Electricity nad Magnetism (Pojednání o elektřin ině a magnetismu) ve 2 svazcích ch mám dílo přes p 1000 stran.
Maxwellova syntéza (1873) vznik teorie elektromagnetického pole Maxwellovy rovnice elektromagnetického pole zobecňuj ují experimentáln lní poznatky elektrodynamiky Významným intuitivním Maxwellovým doplněním m bylo zavedení posuvného (Maxwellova( Maxwellova) proudu v dielektriku, který mám rovněž magnetické účinky. Jedním m z nejvýznamnější ších důsledkd sledků Maxwellovy teorie byl poznatek, že e rozruchy elektromagnetického pole se šíří formou transverzáln lních elektromagnetických vln. Maxwell také vypočítal šířen ení těchto vln - je shodná s rychlostí šířen ení světla ve vakuu.. Z toho vyvodil, že e světlo je elektromagnetické vlnění. Teoreticky odvodil vlastnosti elmg.. vln na rozhraní dvou různých r prostřed edí - platí stejné zákony jako pro světlo (zákon odrazu, Snelův zákon, polarizace) vytvořil pak elektromagnetickou teorii světla tla. Bohužel převzal p i éterovou teorii světla z r. 1802. Experimentáln lního potvrzení své teorie šířen ení elektromagnetických vln se nedožil (smrt ve 48 letech) provedl je aža 9 r. poté (1888) Hertz.
(1857 1894) Heinrich Rudolf Hertz - experiment
Speciáln lní teorie relativity Michelsonův-Morley Morleyův fundamentáln lní experiment (1881, 1887)
Speciáln lní teorie relativity Albert Einstein (1879 (1879 1955) STR vytvořil v květnu červnu 1905 za 6 týdnů
Speciáln lní teorie relativity má hluboké kořeny vychází ze 120letého vývoje nauky o elektřin ině a magnetismu. Osobnosti: Maxwell (1872), Poincaré, Lorentz (1904-1905) 1905) pokusy o řešení krize vyplývající ze zavedení éteru teru -neopustili éter ter princip STR Maxwell Poincaré Lorentz
Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Einstenův čl. uveřejněný v Annalen der Physik 9/1905
Obecná teorie relativity - teorie gravitace Spec. teor.. relativity STR STR (Einstein, 1905) úspěchy (přehodnocen ehodnocení pohledu na prostor a čas s důsledky d v mechanice a elektrodynam.); - nedostatek (nezahrnuje gravitaci). Obecná teor.. relativity OTR OTR (Einstein, 1907 1915) 1. východisko: rozší šíření na neinerciáln lní soustavy 2. východisko: Machův v princip (1872) o původu p setrvačných sil 3. východisko: rovnost setrvačné a gravitační hmotnosti (zkoumání trvající 300 let od Galilea (1590) a vrcholící velmi přesnými p měřeními R. Eötwöse (1896)
Kvantová fyzika Fotoelektrický jev Fotoelektrický jev je jev který nastává při i ozářen ení kovové destičky světlem určit ité vlnové délky. Dopadající světlo emituje z povrchu kovu elektrony a obvodem prochází proud (bez dopadu světla proud neproch tla proud neprochází).
Rovnice pro fotoelektrický jev E k je kinetická energie vyletujícího elektronu, h f energie dopadajícího fotonu a W 0 výstupní práce (tj. energie nutná k uvolněni ni elektronu z atomu). Max Planck (1900 1900,, objevitel kvanta pro výklad zářenz ení černého tělesa) Albert Einstein (1905 1905,, autor kvantového výkladu fotoefektu fyzikáln lní obsah kvanta a jeho fyzikáln lní využit ití)
Comptonův rozptyl (1923) Compton vysvětlil své pozorování interakce fotonu rtg.. zářenz ení s elektronem představou p o světle jako proudu fotonů. Změnu vlnové délky přisoudil p interakci fotonu s elektronem ze vzorku uhlíku. Foton předp edá část své energie a hybnosti elektronu a tento úbytek se projeví změnou jeho vlnové délky přesně podle kvantové a relativistické teorie: Arthur Holly Compton
4. Fyzika jako základ z ostatních přírodních věd v d a medicíny 4.1 Chemie, biologie Chemie, biologie Historický základ obou oborů empirický a nezávislý na fyzice, avšak vývoj poznání ve fyzice, chemii a biologii ukázal kontinuitu a vzájemnou provázanost poznatků. Fyzika se zabývá především atomem a jeho jádrem, avšak i stavbou atomů do molekul Hlavním zájmem chemie je molekula (v dnešní době především makromolekula), avšak soustřeďuje se i na atom (viz slavnou Mendělejevovu tabulku). Předmětem biologie je molekula a její stavba do neživé a především živé přírodní makrostruktury. Viz např. současné poznatky při rozluštění složitého genu DNA.
4.2 Matematika Matematiku současná klasifikace věd za přírodní vědu nepovažuje. Historicky jednotlivé matematické obory vznikaly a rozvíjely se dle potřeb především fyziky (avšak i geometrie např. diferenciální počet). Nejlépe je to vidět na životní cestě L. Eulera (1707 1783), původně vojenského inženýra, poté fyzika a nakonec největšího matematika všech dob. Některé matematické obory vznikaly bez bezprostředních potřeb praxe ( uměle na základě intelektuálních tužeb svých tvůrců). Příkladem je neeuklidovská geometrie a s ní související tenzorový počet, které se rozvíjely celé 19. stol. až Nebýt této intelektuální iniciativy matematiků tak by A. Einstein vprůběhu let 1907 až 1915 zřejmě nebyl schopen vytvořit obecnou teorii relativity.
4.3 Moderní medicína Moderní medicína se bez poznatků fyziky neobejde, např.: Rentgen (fyzikálně 1895) CT zobrazení (fyzikálně 1958), Laserový skalpel (fyzikálně 1960) Radioterapie (fyzikálně 30. léta) Hadronová terapie (konec 20. stol.)
5. Fyzika jako základ techniky Fyzika, jako věda poskytující modely chování fyzikálních objektů a modely jejich struktur, má především velmi pragmatické vyústění v technických aplikacích. V historii společnosti lze najít řadu příkladů, kdy aplikace výsledků poznávání silně zasáhla do dalšího vývoje a chování celé společnosti. Zmíním např. Mechaniku proudění tekutin, Elektrotechniku, Aplikaci elektromagnetického vlnění v telekomunikacích, Mikroelektroniku, Jadernou energetiku.
Mikroelektronika, výpočetn etní technika, IT Na počátku vývoje mikroelektroniky stáli fyzikové s objevem a použitím tranzistoru. Tranzistor byl teoreticky popsán již roku 1928 J. Lilienfeldem a roku 1934 O. Heilem. Avšak až objev PN-přechodu na polovodičích, který učinil roku 1939 W. Schottky, umožnil v roce 1948 konstrukci funkčního tranzistoru (Bardeen, Brattain, Shockley). Od 60. let následoval intenzivní aplikovaný výzkum a poté hromadná výroba. Začaly se vyrábět integrované obvody se stále větší hustotou integrace. Od 80. let mikroprocesory určené zejména do stolních počítačů. Např. mikroprocesor Intel Pentium-M (Banias) o plošném obsahu asi cm2, používaný pro svou nízkou spotřebu zejména v noteboocích, obsahuje 77 milionů tranzistorů, pracuje s frekvencí 1,6 GHz a má 1 MB vyrovnávací paměti.
Mikroprocesor Power PC 620 Motorola 7 milionů tranzistorů v několika vrstvách
Historie techniky a fyziky jako motivační činitel pro mláde dež Technicky a umělecky dokonalé přístroje: Rovníkové sluneční hodiny (1764), NTM Praha Magnetometr (1850), Deutsches Museum Mnichov
Dopravní hala v NTM v Praze (2011); sportovní automobil WIKOV (Prostějov) 1929; motocykl LAURIN & KLEMENT 1905
6. Problémy, trendy a perspektivy současn asné fyziky 6.1 Obecná teorie relativity detektory gravitačních vln Italský laserový interferometr VIRGO, r. 2003, Pisa, délka d ramen 3 km
Vesmírný interferometr LISA (2012)? (délka stran : 5 milionů km)
6.2 Fyzika mikrosvěta standardní model Standardní model -tři generace fundamentálních fermionů (částic se spinem 1/2), které se dále dělí na: kvarky (u up, d down, s strange, c charm, t top, b bottom), každý ve třech stavech jako barvy. leptony. (e elektron, μ - mion, τ - tau a příslušná neutrina ν e, ν μ, ν τ ). Ke všem těmto částicím přísluší ještě antičástice. Mezi kvarky působí čtyři druhy sil: gravitační, elektromagnetické, slabé a silné:
Problémy standardního modelu Na leptony silná interakce nepůsobí. Silná interakce umožňuje např. existenci jader atomů, slabá interakce způsobuje např. radioaktivní rozpad beta. Na přelomu 60. a 70. let se podařilo najít sjednocení elektromagnetické a slabé interakce (Weinbergova-Salamova- Glashowova teorie). Současný výzkum se mj. soustřeďuje na nalezení teorie velkého sjednocení (GUT Grand Unified Theory), která by sjednocovala zatím tři uvedené interakce (mimo gravitační interakci). Aktuální je problém Higgsova bosonu (H) a jeho intenzivní hledání. Jeho pravděpodobná existence vyplývá z teorie sjednocené elektroslabé interakce a dá se jím např. vysvětlit proč elektromagnetická interakce má velký dosah a slabá interakce jen velmi malý dosah. Také vysvětluje proč intermediální částice vektorové bosony W +, W - a Z 0 jsou těžké a intermediální fotony mají nulovou klidovou hmotnost.
6.3 Obří urychlovače částic v úsilí za poznáním mikrosvěta a megasvěta Tevatron energie protonů až 2 TeV Fermilab u Chicaga, průměr dráhy 2 km
LHC urychlovač CERN CERN - Ženeva,, 2008
LHC urychlovač CERN - Ženeva r. 2008, délka d obvodu trubice 27 km, energie 2x7 TeV
LHC urychlovač CERN - Ženeva detektor ATLAS
LHC urychlovač CERN-Ženeva nádrže e s tekutým heliem
6.4 Výkonové lasery na cestě za poznáním hmoty v extrémních podmínkách Hned po roce 1960, kdy byl objeven generátor koherentního světla, laser, se nabízela řada fyzikálních aplikací, mezi nimiž zaujalo místo zejména zkoumání plazmatu za extrémních teplot a možnost uskutečnění fúze lehkých jader na těžší. Jeden ze tří obřích evropských laserů pracuje od r. 2000 ve Fyzikálním ústavu a v Ústavu plazmatu AV v Praze pod názvem PALS. Jeho trubice o délce 160 m, lomená do 5 částí, generuje záření o vlnové délce 1315 nm. Je to pulsní laser na bázi plynného jódu, který má výstupní energii o hustotě asi 10 15 W/cm 2 s opakovacími pulsy po 22 min.
PALS AV Praha: : sál s LASERu
PALS AV Praha: terčov ová zařízen zení,, interakční komory
PALS AV Praha: : velín n a měřm ěřicí komora
ELI Česká republika Výkon 20 až 50 PW (1 PetaW = 1.1015 W) v časových intervalech 20 fs s opakovací frekvencí 10Hz.
6.5 Cesty k uskutečnění řízené termojaderné fúze Jaderná energetika využívá vazební energie nukleonů (protonů a neutronů) ) v jádře. j Dvě možnosti: 1) štěpení těžkých jader (uran 235) 2) fúze lehkých jader (vodík k na helium)
Jaderná elektrárna rna
Problémy jaderné energetiky a perspektivy Jaderná energetika, založená na štěpení jádra není perspektivní: zdůvodu omezených zásob štěpného materiálu, pro ekologické problémy, které provoz JE přináší. Východiskem se jeví zvládnutí řízené fúze lehkých jader, která je energeticky asi 7krát výhodnější než štěpná reakce a neprovází ji ekologické problémy. Zásoby deuteria na Zemi jsou značné v mořské vodě (uvádí se, že 1 km 3 mořské vody obsahuje v přítomné těžké vodě tolik deuteria, že jeho syntézou na helium se získá tolik energie jako spálením všech zbývajících světových zásob ropy).
Fúze deuteria pomocí tokamaku Je nutné dosáhnout tlak teploty jaká panuje na Slunci (především vytvořit nesmírně vysokou teplotu řádu 10 8 K) Pokusný tokamak Univerzity v Princetonu, USA:
Projekt EU laserového zařízení HiPER (měl by uskutečňovat fúzi o výkonu 500 MW)
Závěr Fyzika je krásn sná a užiteu itečná věda stojí za to ji studovat a pěstovatp stovat. Poznání světa a proces jeho technických i jiných aplikací je proces neukončený ený a neukončitelný itelný. Na úplný závěr z r jeden citát t Alberta Einsteina, z něhož je cítit c optimistický pohled vědce v do budoucna: Nejnepochopitelnější věcí na světě je, že e svět t je pochopitelný.
Děkuji za pozornost! Videoprezentace o perspektivách perspektiva uskutečnění jaderné fúze pomocí laseru (14 min.)