Úvod do moderní fyziky letní semestr 2015/2016
Vyučující: Ing. Jan Pšikal, Ph.D
Tématický obsah přednášek • • • • • • • • •
speciální a obecná teorie relativity kvantování energie záření, vlnové vlastnosti částic struktura atomu, kvantová teorie atomu lasery a jejich aplikace jaderná fyzika, radioaktivita, jaderné štěpení fyzika plazmatu, termojaderná fúze elementární částice, urychlovače, vznik a vývoj vesmíru (nanofyzika a nanotechnologie) (fyzika pevných látek)
požadavky pro získání zápočtu • účast na cvičeních (při neúčasti na více než jednom cvičení nutno vypracovat úlohu v Maplu nebo referát) • úspěšné splnění závěrečného testu
literatura D. Halliday – R. Resnick – J. Walker: Fyzika část 5 (Moderní fyzika) A. Beiser: Uvod do moderní fyziky B. Green: Elegantní vesmír Rogers – Pennathur – Adams: Nanotechnology
SOUČASNÁ FYZIKA : NĚKTERÉ SPECIFICKÉ RYSY • Klíčový vliv prostředků a metod informačních a komunikačních technologií (ICT) jak v teorii tak i experimentu, vznik nového přístupu - počítačová / informatická fyzika. • Komplexnost řešených problémů, mezioborový přístup, často vysoká náročnost na matematický aparát, nutnost realizace rozsáhlých a sofistikovaných experimentálních zařízení. • Významný společenský dopad některých aplikací, podstatná část nových /špičkových technologií i zbraňových systémů je založena na poznatcích moderní fyziky.
DNES
vybudování NIF – cena přibližně 4 mld. USD Blue Gene / L přibližně 1/10*NIF
Fyzika 2016 – přímá detekce gravitačních vln
Chápání našeho světa, vesmíru • klasická mechanika, obecná teorie relativity (OTR) – pro popis makrosvěta – hladký časoprostor – deterministický přístup (každá událost nebo stav věci je důsledkem předchozích událostí a stavů věcí, existuje jedna možná budoucnost a je teoreticky zcela předvídatelná) • kvantová mechanika – pro popis mikrosvěta – indeterministický přístup (pouze pravděpodobnost, že se určitý jev stane) • teorie nemohou platit současně! – všechny pokusy spojit OTR s kvantovou mechanikou selhávají – na úrovni mikrosvěta nelze uplatnit hladký geometrický model časoprostoru v důsledku kvantových fluktuací
Planckova délka • lp=sqrt(hG/c^3)=1.6x10-35 m • nejkratší dosažitelná vzdálenost, za kterou teoreticky nelze nic studovat • na vzdálenostech srovnatelných s Planckovou délkou dovoluje kvantová mechanika (relace neurčitosti) vytváření částic a antičástic a jejich anihilaci bez porušení zákonů zachování – kvantová pěna • Planckův čas = doba, za kterou urazí světlo Planckovu délku = 5.39x10-44 s • pro popis toho, co se děje na velmi krátkých vzdálenostech, bychom potřebovali teorii kvantové gravitace
„Odbočka“ do filozofie • absolutní determinismus Laplaceův démon (Pierre Simon de Laplace – ironická kritika absolutního determinismu) „Můžeme považovat přítomný stav vesmíru jako výsledek jeho minulosti a důsledek jeho budoucnosti. Inteligence, která by v daném momentu znala všechny síly, které uvádějí přírodu do pohybu, a pozice všech částí, ze kterých se příroda skládá, pokud by tato inteligence byla dostatečně rozsáhlá, aby dokázala tyto data zanalyzovat, dokázala by vytvořit jedinou rovnici pro pohyb největších těles ve vesmíru a i těch nejmenších atomů; pro takovou inteligenci by nic nebylo nejisté a budoucnost, stejně jako minulost by byla přítomna před jejíma očima.“
„Odbočka“ do filozofie • adekvátní determinismus Stephen Hawking: Mikroskopický svět kvantové mechaniky je jednou z determinovaných pravděpodobností. To znamená, že kvantové efekty velmi málo kdy ovlivní předpovědi klasické mechaniky, která je poměrně přesná (ačkoliv stále ne zcela přesná) ve větších hodnotách. Něco tak velkého, jako je zvířecí buňka pak může být „adekvátně determinováno“ i přes vliv kvantové neurčitosti.
fyzikálně-filozofické otázky • Je informace černou dírou pohlcena? • 1976 Hawking – je-li částice pohlcena černou dírou, je spolu s tím „vcucnuta“ i její vlnová funkce • černá díra ale vyzařuje – objeví se opět informace obsažená v předmětech pohlcených černou dírou, když se vypaří?
fyzikálně-filozofické otázky • Proč existují zrovna tři generace částic (leptonů, kvarků) a proč mají dané vlastnosti? (hmotnosti, apod.) • Lze to teoreticky popsat a vysvětlit nebo se jedná o náhodně nastavené parametry?
