FII -11 Úvod do moderní fyziky

1. FII-11Úvod do moderní fyziky

2. Hlavní body • Nástin teorie relativity • Pád klasické fyziky • Principy kvantové mechaniky • Základy jaderné fyziky • Problémy současné kosmologie • Jak starý je vesmír a čas? • Je ve vesmíru život?

3. Nástin teorie relativity I • Teorie relativity se zabývá problémem vztažnýchsoustav a jejich případné ekvivalence nebo vyjímečnosti. • Speciální TR se zabývá soustavami inerciálními • Obecná TR se zabývá soustavami neinerciálními

4. Nástin teorie relativity II • Po strastiplném vývoji fyziky byl přijat principkovariance – pozorovatelé v každé soustavě vidí svět řízený stejnýmifyzikálnímizákony. • Fyzikální veličiny ale nejsou obecně invariantní, tedy jejich konkrétní hodnota může být různá. • Dlouho se předpokládala platnost Galileovaprincipu, který stanovil, že zákony mechaniky mají ve všech soustaváchstejný tvar a čas běží všude stejně rychle.

5. Nástin teorie relativity III • Experiment ovšem ukázal, že ve všech soustavách je konstantnírychlostsvětla. Tento fakt byl přijat za jeden ze základních postulátu STR. • Druhý stanoví, že fyzikální jevy jsou ve všech inerciálních soustavách popsány zákony, které mají stejnýtvar. • Překvapivým důsledkem je, že v každé soustavě běží vlastníčas.

6. Nástin teorie relativity IV • Dalším důsledkem je, že prostorové a časové souřadnice spolu úzce souvisí a tvoří souřadnice časoprostorové. • Časoprostorové souřadnice v jedné soustavě závisí na časoprostorových souřadnicích v soustavě druhé, jak popisuje Lorentzova transformace.

7. Nástin teorie relativity V • Předpokládejme, že čárkovaná soustava se pohybuje vůči nečárkované rychlostí u ve směru osy x potom : kde :

8. Nástin teorie relativity V • Pohybují-li se dvě soustavy vůči jisté inerciální soustavě rychlostí u resp. v, je jejich vzájemná rychlost w : • Zřejmě, je-li u nebo v rovno c, je i w = c.

9. Nástin teorie relativity VI • Relativistická dynamika ukazuje, že hmotnost pohybujícího se tělesa se jeví v soustavě pevné větší : • Pomocí této relativistickéhmotnosti lze potom definovat hybnost a celkovou energii :

10. Nástin teorie relativity VII • V soustavě, vůči které je těleso v klidu, musí mít tedy klidovou energii : • a rozdíl klidové a celkové energie je roven energii kinetické : • Souvislost energií a hybnosti je vyjádřena :

11. Nástin teorie relativity VIII • Klidová energie elektronu je : • Elektron urychlený napětím U získá kinetickou energii Ue[eV]. Potom lze například určit jeho rychlost : • Například pro U = 10 MV je  = 0,99882

12. Nástin teorie relativity VIII • Při urychlování tedy rostou kinetická a celková energie a hybnost. Roste i rychlost, ale jen nepatrně a pouze sepřibližujerychlostisvětla. • Obecná TR vychází z postulátu, že fyzikální zákony musí být vyjádřeny v takové formě, která je invariantní v jakkoli se pohybující soustavě. • Pozorovatel nemůže rozlišit, zda je v gravitačním poli nebo zrychlené soustavě. Gravitační pole zakřivuje časoprostor. Světlo, šířící se přímočaře, se ve skutečnosti šíří po křivce. (Merkur, zatmění)

13. Pád klasické fyziky I • Na konci 19. století se nahromadily experimenty, které dokazovaly principiální odlišnost mikrosvěta od světa makroskopického. • Nejzávažnější výsledky ukazovaly na kvantování mikroskopických veličin (fotoelektrický jev, teplotní záření černého tělesa) a na dualismus vln a částic (Comptonův jev). • Byla přijata De Broglieho hypotéza o dualizmu vln a částic :

14. Pád klasické fyziky II • Vychází se z analogie s fotony, u kterých E = hf a m0 = 0, což z předchozího vede na E = cp atd. • Je zřejmé, že vlny odpovídající makroskopickým tělesům jsou neměřitelně krátké, ale v mikrosvětě je tomu jinak. • Běžící člověk (100 kg, 10 m/s) 10-37m • Brouk Pytlík (0.001 kg, 1 cm/s) 10-29 m • Elektron (106 m/s) 10-10 m

15. Kvantová teorie • Popisuje mikrosvět pomocí (komplexní)vlnovéfunkce, jejíž druhá mocnina udává pravděpodobnostvýskytu částice v daném bodě a pomocí které lze také určit hybnostčástice. • Ukazuje se ale, že platí principneurčitosti. Částice principiálně nemá současně přesně určenou hybnost a souřadnici. Zpřesňuje-li se jedna veličina, rozmazává se druhá. Podobnou dvojicí je dobaživota a energie částice.

16. Jaderná fyzika I • Zabývá se strukturou atomovéhojádra a procesy, které v něm probíhají. • Klíčovými momenty byl objev radioaktivity Becquerelem a objev atomového jádra Ruthefordem. • bylo zjištěno, že atomy vyzařují tři typy záření ,  a  • při ostřelování zlaté folie částicemi  se zjistilo, že kladnýnáboj musí být v atomu koncentrován v oblasti, která je cca 105 menší než celý atom. • Postupně byly nalezeny základní jaderné částice protony a neutrony a nacházejí se další a další.

17. Jaderná fyzika II • Prvky jsou charakterizovány atomovým neboli protonovým číslem Z. Mohou ale mít různé izotopy, které se liší neutronovým číslem N a tím i číslem hmotnostnímA = Z + N. • Jádra atomů drží pomocí tzv. silnýchinterakcí, které překonávají elektrické odpuzování, ale jsou krátkodosahové. • Na vazebných silách je založená jadernáenergetika.

18. Jaderná fyzika III • V určitých případech při syntézelehkých jader je výsledné jádru nepatrně lehčí než komponenty. V případech jiných se uvolnňuje energie při rozpadutěžkýchjader na jádra střední. • Například při rozpadu je rozdíl hmotnosti m = – 4.56 u, tomu odpovídá energie 4,25 MeV, což při obrovských množstvích atomů je veliká energie.

19. Jak je starý čas? I • Otázkami jestli vesmírvznikl a jestli zanikne a kdy k tomu došlo nebo dojde, se lidé zabývali odnepaměti. Nejvíce ale filosofové a teologové, kteří vytvářeli jisté myšlenkové konstrukce na základech, které se nedaly podpořit, ale ani vyvrátit. • Současně se na tyto otázky snažili odpovědět i vědci, ale na základě pozorování.

20. Jak je starý čas? II • Po staletí lidé prováděli astronomická i jiná fyzikální pozorování a učinili řadu vyznamných objevů. • Ale až ve 20. Století a zvláště na jeho konci se nahromadil dostatek důkazů pro vybudování věrohodných představ o historii a snad i budoucnosti vesmíru. • Jedinou “nectností” těchto představ je, že lidé extrapolují informace, získané v určitém omezeném prostoru a čase.

21. Jak je starý čas? III • Existují ale závažné “polehčující” okolnosti. • Rozborem např. spekter vzdálených objektů můžeme učinit závěry a fungování fyzikálních a chemických zákonů v obrovské vzdálenosti. Víme například, že tam existují stejné prvky, jako na Zemi a v jejím okolí. • Pohled do vzdáleného vesmíru je vlastně pohledem hluboko do minulosti.

22. Jak je starý čas? IV • Důležitým závěrem je, že vesmír existuje přibližně 15 miliard let a není statický, ale rozpíná se : • Kdyby vesmír existoval vždy, musel by být podle 2. věty TD naprosto neuspořádaný a v každém bodě oblohy by byla hvězda a každá ploška oblohy by zářilajakoSlunce. Jediným důvodem, prož tomu tak není je, že hvězdy svítí od určitého okamžiku. Ve statickém vesmíru by k jejich zapnutí nebyl žádný důvod. • Bylo objeveno mikrovlnnépozadí záření z vesmíru, které odpovídá teplotě 2.7 K a je stejné ze vševh směrů. To lze chápat jako záření hmoty rozpínajícího se vesmíru v teplotní rovnováze.

23. Jak je starý čas? V • Byl objeven tzv. rudýposuv ve spektrech vzdálených galaxií, který svědčí o tom, že se od nás vzdalují a to tím rychleji, čím jsou dále. • hmoty rozpínajícího se vesmíru v teplotní rovnováze. • Historie vesmíru je vlastně historií času.

24. Jak je starý čas? VI • Předpokládaný vývoj vesmíru : • Vesmír začal ze singularity velkýmtřeskem. V něm počaly platit současné zákony a nemůžeme principiálně zjistit, co předcházelo. • Je to obrácený proces ke vzniku černýchděr. • Ke studiu je třeba přibrat kvantovou teorii, principneurčitosti. • Zatím se neví, zda bude vesmír nadále expandovat nebo se zastaví nebo se bude smršťovat. Každopádně, neměl by zaniklnout minimálně dalších20 miliard let a čas půjde stále dopředu.

25. Život ve vesmíru I • Vzhledem k nesmírné velikosti vesmíru je pravděpodobné, že existují planety s podmínkami vhodnými pro život, jak ho známe. Mohou ale být velmi daleko od sebe. • Předpokládá se, že náš život by se měl v budoucnu rozšířit do vesmíru – antropickýprincip.

26. Život ve vesmíru II • Zamezí se tím zániku civilizace po předpokládané expanzi Slunce nebo pravděpodobné srážce s asteroidem. • Budou-li ale plány podobných civilizací podobné, nastane známý problém boje o teritorium. HOWG!!!