FYZIKA, JAKO VĚDA FYZIKA JAKO VĚDA SJEDNOCUJÍCÍ PŘÍRODNÍ VĚDY, SJEDNOCUJÍCÍ PŘÍRODNÍ VĚDY, FILOZOFII A TECHNIKU prof. Ing. Bohumil Vybíral, CSc.
Podpora přednášky kurzu Mezioborové dimenze vědy
Fyzika jako věda sjednocující filosofii, přírodní vědy a techniku Prof. Ing. Bohumil Vybíral, CSc. katedra fyziky Přírodovědecké fakulty UHK
Osnova přednášky z z z
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
z z z
Fyzika jako základ ostatních přírodních věd Fyzika jako základ technických aplikací Problémy, trendy a perspektivy současné fyziky
1. Fyzika jako věda 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. z Fyzikální poznávání je členitý, složitý proces, jež poskytuje modely chování objektů a modely struktur a směřuje k vytváření co nejúplnějšího obrazu světa a jeho změn. z 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. z Je nesprávné tvrdit, že „příroda se řídí přírodními zákony“. Příroda se řídí sama podle sebe, sebe člověk ji pozoruje dějů a stavů látek, matematicky popsat fyzikálními zákony. z
.
z
z
z
z
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 fyzikálního poznávání Fyzikální poznávání je členitý, složitý proces, který lze rozložit na několik etap: z experiment, z hypotéza (pořadí zde bývá často obrácené), z fyzikální zákon, z obecný (fyzikální) princip, z
fyzikální teorie.
Kritérium správnosti fyzikální teorie je fyzikální experiment
1.3 Fyzikální experiment z
z z
z
z z
Starověk (Aristoteles) experiment odmítal (jako umělé zasahování do dějů v přírodě) 16. století, renesance G. Galilei na experimentu buduje vědeckou metodu zkoumání: Vytvořit hypotézu na základě dosavadní zkušenosti, intuice nebo vrozených pravd. (1564 – 1642) Ověřit hypotézu smyslovou zkušeností nebo experimentem. Provést dedukci hypotézy na jevy dosud neznámé.
Vědecké experimenty: 1. 2.
Heuristické (objevné) – kdy účelem je nalézt dosud neznámou zákonitost. Verifikační (ověřovací) – kdy účelem je ověřit platnost zákona, který byl získán deduktivním teoretickým postupem, anebo ověřit meze platnosti zákona pro jiné podmínky.
Vědecké experimenty z jiného hlediska: 1. 2.
3.
Reálné – sledujeme reálně probíhající fyzikální děje a měříme je reálnými přístroji v reálném čase. Myšlenkové – myšlenkově navozujeme podmínky a postup, očekávané výsledky se neměří, avšak deduktivně se odvozují ze známých zákonů za idealizovaných podmínek. Přináší nové poznatky bez ohledu na to, zda je skutečně realizovatelný. Počítačové – matematicky se simuluje průběh možných jevů postavený na aplikaci známých fyz. zákonů.
Fundamentální experimenty z
z
Experimenty, které tvoří základní východiska pro utváření fyzikální teorie anebo ověřují jejich významné teoretické dedukce se označují jako fundamentální experimenty. Patří k nim jak významné experimenty heuristické, tak některé experimenty verifikační.
Vývoj náročnosti experimentu z z
Někdejší romantika fyzikálního bádání. Příkl. ze 17. stol.: Otto v. Guericke experimentuje r.1672 s třecím „elektrickým strojem“:
Současné experimenty jsou náročné materiálově i lidsky (Americký urychlovač TEVATRON, 2 vědečtí asistenti uvnitř trubice 6,7 km dlouhé)
2. O poznatelnosti světa – gnoseologie z
Gnoseologie (noetika, teorie poznání) jako filosofická disciplína, se vymezila jako nauka o poznání, jeho zdrojích a příslušných podmínkách.
z
Poznání je proces, při němž subjekt (člověk jako pozorovatel nebo experimentátor) získává informace o objektu (předmětu poznávání), přičemž dochází k reflexi, k vytváření pokud možno věrného (pravdivého) obrazu o objektu.
Otázka poznatelnosti objektu 1.
Při poznávání nesmí docházet k ovlivňování objektu subjektem, a tím ke zkreslení získávaných poznatků o něm.
2.
Oblast fyziky:
z
Objekty megafyzikální (k ovlivňování z principu docházet nemůže) Objekty makrofyzikální (ovlivňování je principu možné – přizpůsobit podmínky experimentu, aby k němu nedocházelo) Objekty mikrofyzikální (v důsledku platnosti Heisenbergovy relace neurčitosti pro polohu a hybnost, resp. pro energii a časový interval, vznikají pochybnosti o možnosti úplného poznání mikrosvěta).
z
z
Filosofové a fyzici z
Od vlastní filosofie postupně oddělily disciplíny, které byly původně chápány jako filosofické - psychologie, logika, filosofie jazyka, filosofie vědy a do jisté míry i fyzika (fyzika se např. ještě ve 20.letech 20. stol. studovala na UK v Praze na filosofické fakultě).
z
Odtržení fyziky od filosofie fyzikálnímu oboru do jisté míry pomohlo, protože ve 20. stol. došlo k prudkému rozvoji fyziky s četnými aplikacemi.
z
Avšak citelně chybí těsnější interakce mezi obecnými fyzikálními obory a filosofií. Trpí tím jak filosofie (navíc filosofové často nejsou sto do hloubky chápat nejnovější fyzikální poznatky), tak i fyzika (filosofie pro ni vytváří potřebnou obecnou metodologii, a to právě v rámci gnoseologie).
Proces fyzikálního poznávání Čtyři hypotézy o poznávání 1. 2.
3.
4.
Proces poznávání světa je neomezený. Každý kvalitativně nový prostředek vytváří podmínky pro kvantitativní pokrok v procesu poznávání. Relativní přírůstek poznatků o světě je úměrný časovému intervalu, v němž poznávací proces probíhá. Získané fyzikální poznatky o světě člověk cílevědomě využívá pro svou další činnost.
Neomezenost poznávání z z 1. 2. 3.
Člověk je schopen poznat zejména vše to, co potřebuje poznat. Poznání bude vždy pouze částečné, přibližné (závislé na rozlišovací schopnosti našich smyslových orgánů a přístrojů), relativní (podmíněné jak nedokonalostí smyslových orgánů člověka a použitých přístrojů, tak i dosaženým stupněm vývoje společnosti).
O impulsech poznávání Kvalitativně nový prostředek (přístroj), zkonstruovaný na základě aplikace dosavadních fyzikálních poznatků, vyvolá kvantitativní pokrok v dalším procesu poznávání. Několik příkladů:
Dalekohled Příklady: z z z
G. Galilei (1609) Hubbleův kosmický dalekohled (1990) VLT (Very Large Telescope) - chilské Andy (2004)
Hubbleův kosmický dalekohled schéma
Hl. zrcadlo Ø 2,4m 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 105, (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 spektrální analýza (1859 W. R. Bunsen a G. Kirchhoff)
Polarograf (1922 - 1925, J. Heyrovský, M. Shikata)
Cyklotron
Laser
(1930 – E. O. Lawrence) (1960)
Družice Země, kosmické sondy a lodi (od roku 1957) Všechny tyto prostředky vedou ke zrychlování procesu poznávání
3. Fyzika v toku dějin z z
z
Cesty fyzikálního poznávání nebývají přímé. Fyzikové často museli provést řadu dílčích pozorování a experimentů než mohli provést jeden experiment fundamentální. Hodnocení vývoje významných fyzikálních oborů: 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.
Klasická mechanika z
Přednewtonovské období (L. da Vinci, G. B. Benedetti, G. Galilei, V. Viviani, G. A. Borelli, R. Hooke, M. Marci, Ch. Huygens).
z
Newtonova syntéza (1687).
z
Nelze označit určitý experiment za fundamentální - s výjimkou Galileových pokusů s volným pádem a pohybem po nakloněné rovině (Pisa, kolem r. 1590).
Klasická teorie gravitace Přednewtonovské období (přelom 16.-17. stol.): pozorování planet T. Brahem, analýza Joh. Keplerem - formulace tří zákonů o pohybu planet (1609, 1619). z Zákon všeobecné gravitace (Newton, 1686). z Verifikace a měření gravitační konstanty (Cavendish, 1798). z
Isaac Newton (1643 – 1727)
Cavendishovy torzní váhy (r. 1798, přesnost 1%)
m = 730 g M = 158 kg
Klasická teorie elektromagnetického pole z
z
z
Do konce 18. stol. byly známy jen některé jevy z elektřiny a magnetismu, a to pouze kvalitativně a bez vzájemné souvislosti. Roku 1785 provedl Coulomb fundamentální experiment, při němž měřil elektrostatické sily na torzních vahách. Kvantitativně forumuje silové půsovbení mezi dvěma bodovými náboji. (Coulombova magnetostatická měření, která předcházela, byla rovněž historicky významná).
Experimentální počátky nauky o elektřině a magnetismu z
1628: William Gilbert: Nová fyzika o magnetech, zmagnetizovaných tělesech a o velkém magnetu Zemi
z
Shrnuje základní kvalitativní poznatky o elektřině a magnetismu své doby
Fundamentální Coulombův elektrostatický experiment (1785)
Fundamentální Coulombův elektrostatický experiment
Coulombův zákon elektrostatiky (1785) z
Charles Augustin de Coulomb (1736 – 1806)
z z
Popisuje silové působení mezi dvěma bodovými náboji v izolujícím prostředí Fundamentální zákon elektromagnetického pole
Zdroj stejnosměrného proudu Voltův článek (1800)
Elektrodynamika Roku 1820 provádí Oersted jednoduchý fundamentální heuristický experiment
HANS CHRISTIAN OERSTED (1777-1851) z
zahájil sérii objevů o vzájemné 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) z
z
Ampèr inspirován Oertedovými pokusy, o kterých se dozvěděl již 11. září 1820 na zasedání Akademie věd, se pustil do intenzivní experimentátorské a matematické práce a již za týden předložil Akademii novou, jednotnou soustavu elektromagnetických zákonů, které nazval elektrodynamika. Ampèr zjišťoval, jak prostřednictvím magnetismu na sebe působí dva proudovodiče.
Ampérův zákon o silovém působení 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 z
Originální kresby, kterými Faraday doplnil své poznámky:
z
Skutečné provedení cívky:
Faradayovy experimenty s elektromagnetickou indukcí (1831)
Faradayovy experimenty s elektromagnetickou indukcí (1831) - schémata
Čtyři experimentální pilíře elektromagnetismu 1.
Coulombův zákon elektrostatiky – základní pilíř
2.
Na základě experimentů Biota, Savarta formuluje roku 1821 Laplace zákon - druhý pilíř elektromagnetismu zákon o magnetických účincích el. proudu. Třetí pilíř – zákon o silovém působení mg. pole na proudový element - formuluje Ampère na základě svého fundamentálního experimentu z roku 1826. Roku 1831 objevuje M. Faraday - zákon elektromagnetické indukce. K němu dospívá po sedmiletém experimentování (zákon lze z části teoreticky odvodit z předchozích zákonů) – pak jde o fundamentální experimenty verifikační.
3.
4.
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 fundamentální Weberův exp. (1852) – můstek mezi klasickou teorií elektromagnetického pole a teorií relativity
James Cleark Maxwell (1831 – 1879) z
Narodil se 13. 6. 1831 v Edinburgu v rodině skotské šlechty (právě v roce 1831 Faraday
nižší objevil
elektromagnetickou indukci). z
Od roku 1850 studoval na univerzitě v Cambridge. V roce 1855 složil zkoušky učitelské způsobilosti na Trinity College a přednáší hydrostatiku a optiku. V pedagogické práci však příliš nevynikal a proto se vrátil domů do Skotska a do Cambridge se již nevrátil.
z
Svůj čas tráví na svém statku v Glenlairu, kde jako soukromý vědec dovršil svoji teorii elektromagnetismu, která roku 1873 vyšla pod názvem „A Treatise on Electricity nad Magnetism“ (Pojednání o elektřině a magnetismu) – ve 2 svazcích má dílo přes 1000 stran.
Maxwellova syntéza (1873) vznik teorie elektromagnetického pole z
z
z z
z
Maxwellovy rovnice elektromagnetického pole zobecňují experimentální poznatky elektrodynamiky –Významným intuitivním Maxwellovým doplněním bylo zavedení posuvného (Maxwellova) proudu v dielektriku, který má rovněž magnetické účinky. Jedním z nejvýznamnějších důsledků Maxwellovy teorie byl poznatek, že rozruchy elektromagnetického pole se šíří formou transverzálních elektromagnetických vln. Maxwell také vypočítal šíření těchto vln - je shodná s rychlostí šíření světla ve vakuu. Z toho vyvodil, že světlo je elektromagnetické vlnění. Teoreticky odvodil vlastnosti elmg. vln na rozhraní dvou různých prostředí - platí stejné zákony jako pro světlo (zákon odrazu, Snelův zákon, polarizace) – vytvořil pak elektromagnetickou teorii světla. Bohužel převzal i éterovou teorii světla z r. 1802. Experimentálního potvrzení své teorie šíření elektromagnetických vln se nedožil (smrt ve 48 letech) – provedl je až 9 r. poté (1888) Hertz.
Heinrich Rudolf Hertz - experiment
(1857 – 1894)
Speciální teorie relativity Michelsonův-Morleyův fundamentální experiment (1881, 1887)
Speciální teorie relativity Albert Einstein (1879 – 1955) STR vytvořil v květnu – červnu 1905 za 6 týdnů
Speciální teorie relativity má hluboké kořeny – vychází ze 120letého vývoje nauky o elektřině a magnetismu. Osobnosti: Maxwell (1872), Poincaré, Lorentz (1904-1905) pokusy o řešení krize vyplývající ze zavedení „éteru“ -neopustili „éter“ – 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 (Einstein, 1905) z z
– úspěchy (přehodnocení pohledu na prostor a čas s důsledky v mechanice a elektrodynam.); - nedostatek (nezahrnuje gravitaci).
Obecná teor. relativity OTR (Einstein, 1907 – 1915) z z z
1. východisko: rozšíření na neinerciální soustavy 2. východisko: Machův princip (1872) o původu setrvačných sil 3. východisko: rovnost setrvačné a gravitační hmotnosti (zkoumání trvající 300 let – od Galilea (1590) a vrcholící velmi přesnými měřeními R. Eötwöse (1896)
Kvantová fyzika Fotoelektrický jev z z
Fotoelektrický jev je jev který nastává při ozáření kovové destičky světlem určité vlnové délky. Dopadající světlo emituje z povrchu kovu elektrony a obvodem prochází proud (bez dopadu světla proud neprochází).
Rovnice pro fotoelektrický jev
Ek je kinetická energie vyletujícího elektronu, h f energie dopadajícího fotonu a W0 výstupní práce (tj. energie nutná k uvolněni elektronu z atomu).
Max Planck (1900, objevitel kvanta – pro výklad záření černého tělesa)
Albert Einstein (1905, autor kvantového výkladu fotoefektu – fyzikální obsah kvanta a jeho fyzikální využití)
Comptonův rozptyl (1923) z z
z z
Compton vysvětlil své pozorování interakce fotonu rtg. záření s elektronem představou o světle jako proudu fotonů. Změnu vlnové délky přisoudil interakci fotonu s elektronem ze vzorku uhlíku. Foton předá 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 ostatních přírodních věd a medicíny 4.1 Chemie, biologie z
z z
z
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 z z
z
z
z
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 v průběhu let 1907 až 1915 zřejmě nebyl schopen vytvořit obecnou teorii relativity.
4.3 Moderní medicína Moderní medicína se bez poznatků fyziky neobejde, např.: z Rentgen (fyzikálně 1895) z CT zobrazení (fyzikálně 1958), z Laserový skalpel (fyzikálně 1960) z Radioterapie (fyzikálně 30. léta) z 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. z V historii společnosti lze najít řadu příkladů, kdy aplikace výsledků poznávání silně zasáhla do dalšího vývoje a chování celé společnosti. Zmíním např. z Mechaniku proudění tekutin, z Elektrotechniku, z Aplikaci elektromagnetického vlnění v telekomunikacích, z Mikroelektroniku, z Jadernou energetiku. z
Mikroelektronika, výpočetní technika, IT z
z
z
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 mládež 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 současné fyziky 6.1 Obecná teorie relativity – detektory gravitačních vln Italský laserový interferometr VIRGO, r. 2003, Pisa, délka ramen 3 km
Vesmírný interferometr LISA (2012)? (délka stran ∆: 5 milionů km)
6.2 Fyzika mikrosvěta – standardní model z z z z z
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 νe, νμ, ντ). Ke všem těmto částicím přísluší ještě antičástice. Mezi kvarky působí čtyři druhy sil: gravitační, elektromagnetické, slabé a silné:
Problémy standardního modelu z
z
z
z
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-SalamovaGlashowova 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 Z0 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 - Ženeva, 2008
LHC urychlovač CERN - Ženeva r. 2008, délka obvodu trubice 27 km, energie 2x7 TeV
LHC urychlovač CERN - Ženeva – detektor ATLAS
LHC urychlovač CERN-Ženeva – nádrže s tekutým heliem
6.4 Výkonové lasery na cestě za poznáním hmoty v extrémních podmínkách z
z
z
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 1015 W/cm2 s opakovacími pulsy po 22 min.
PALS – AV Praha: sál LASERu
PALS – AV Praha: terčová zařízení, interakční komory
PALS – AV Praha: velín a měřicí 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 z z
Jaderná energetika využívá vazební energie nukleonů (protonů a neutronů) v jádře. Dvě možnosti: 1) štěpení těžkých jader (uran 235) 2) fúze lehkých jader (vodík na helium)
Jaderná elektrárna
Problémy jaderné energetiky a perspektivy z z z z
z
Jaderná energetika, založená na štěpení jádra není perspektivní: z důvodu 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 km3 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 108 K) Pokusný tokamak Univerzity v Princetonu, USA:
Projekt EU laserového zařízení HiPER (měl by uskutečňovat fúzi o výkonu 500 MW)
Závěr z z z
Fyzika je krásná a užitečná věda – stojí za to ji studovat a pěstovat. Poznání světa a proces jeho technických i jiných aplikací je proces neukončený a neukončitelný. Na úplný závěr jeden citát Alberta Einsteina, z něhož je cítit optimistický pohled vědce do budoucna:
Nejnepochopitelnější věcí na světě je, že svět je pochopitelný.
Děkuji za pozornost ! Videoprezentace o perspektivách perspektiva uskutečnění jaderné fúze pomocí laseru (14 min.)
