Mapa fyziky

Fyzika je obří oblast, která pokrývá mnoho témat. Může jít o galaxie v hlubinách vesmíru nebo subatomární částice. Pokud fyziku plně neovládáte, může být těžké vidět spojitosti mezi jednotlivými oblastmi. Já vše pokusím zobrazit na mapě. Na mapě fyziky. Snad se vám bude líbit. Fyzika může být rozdělena do tří hlavních oblastí.

Klasická fyzika, kvantová fyzika a relativita. Začneme u klasické fyziky a nejdřív zmíníme Isaaca Newtona. Jeho zákony pohybu popisují, jak se vše hmotné hýne. Gravitační zákon spojuje pohyb planet ve vesmíru s padajícími předměty na Zemi do jediného elegantního popisu. Také vymyslel kalkulus, velmi mocný matematický nástroj, který během století sloužil k odvozování nové fyziky. Kalkulus je spíš součástí matematiky, ale fyzika a matematika jsou nerozdělitelné.

Matematika je jazykem fyziky. Můžete si ji představit jako základy pro svět fyziky. Newton se zaměřoval i na oblast optiky, což je fyzika světla a toho, jak cestuje různými materiály. Vysvětluje index lomu na hranolu i čočky, které se užívají v teleskopech, mikroskopech a kamerách. Teleskopy nám umožňují nahlédnout do hlubin vesmíru a pozorovat objekty v něm.

Vyvinula se tak astrofyzika a kosmologie. Optika je blízká fyzice vln, což je způsob, jak energie cestuje rozvlněním média. Může jít o vlny na rybníku nebo zvuk ve vzduchu. Světlo nepotřebuje médium, kterým by se šířilo. Může cestovat i ve vakuu. Řídí se stejnými zákony jako všechny vlny.

Především zákony odrazu, lomu a difrakce. Tím se dostáváme k elektromagnetismu. Ten popisuje magnety a elektřinu, obecně elektrické a magnetické pole. Fyzik James Clark Maxwell zjistil, že to jsou dva aspekty téhož jevu. Odvodil velmi elegantní zákony elektromagnetismu. Vytvořil teorii, že světlo je elektromagnetickou vlnou.

Elektromagnetismus také vysvětluje elektřinu. Trochu se vrátíme. Klasická mechanika je založena na Newtonových zákonech. Popisuje vlastnosti a pohyb pevných objektů. Jak se hýbou, když na ně působí síla, a co se děje, když jsou spojeny do soukolí, budov nebo mostů. Mechanika tekutin popisuje proudění tekutin a plynů. Díky ní můžete spočítat, jaký zdvih vyprodukuje křídlo letadla nebo jak aerodynamické je auto.

Mechanika kapalin je velmi složitá, protože pohyb malých molekul je velmi komplikovaný a rychlý. To nás přivádí k teorii chaosu. Teorie chaosu popisuje velké komplexní systémy, kde lehce rozdílné počáteční podmínky mohou vést ke zcela jiným výsledkům. Termodynamika je popisem energie a toho, jak se mění z jednoho stavu na jiný. Také zahrnuje entropii, která měří uspořádanost a neuspořádanost, což vám říká, jak užitečné jsou různé druhy energie.

Energie je základem fyziky. Nápis energie jsem umístil sem, ačkoliv by měl být všude na mapě, protože vše je energií. To je klasická fyzika. Popisuje vesmír kolem nás, jak jsme ho vnímali kolem roku 1900. Žili jsme ve vesmíru, který fungoval jako ozubená kolečka. Pokud byste vše dokázali přesně změřit, budoucnost by byla předurčená.

Ale ne vše bylo vyřešeno. Pár děr v experimentech naznačovalo, že je to celé složitější. Merkur obíhal kolem Slunce trochu rychleji a mezi elektrony a světlem se děly podivné věci, což nikdo nedokázal vysvětlit. Fyzici té doby si mysleli, že tento problém brzy vyřeší, ale poté narazili na oblasti relativity a kvantové fyziky. Naprosto to obrátilo naše chápání vesmíru.

Albert Einstein byl géniem, který vytvořil zákon speciální a obecné relativity. Speciální relativita předpověděla, že rychlost světla je konstantní pro všechny pozorovatele. Když cestujete velmi rychle, začnou se dít zvláštní věci. Například čas začne zpomalovat. Také tvrdí, že energie a hmota jsou různými aspekty téhož samého. To určuje slavný vzorec E=mc2. Obecná relativita tvrdí, že prostor a čas jsou součástí stejné struktury, časoprostoru.

Gravitaci způsobují objekty deformující časoprostor. Jiné objekty padají směrem k nim. Relativita popisuje obří objekty, ale jiní vědci se zaměřovali na velmi malé částice v kvantové fyzice. Teorie atomu zkoumala podstatu atomů. Vytvářely se čím dál přesnější modely atomu. Od malých koulí přes elektronové orbity až po energetické hladiny a model, kde jsou elektrony jako vlny rozložené na základě pravděpodobnosti.

Fyzika kondenzovaného stavu popisuje kvantovou fyziku velkého množství atomů v pevných látkách a v tekutinách. Díky tomu vznikly důležité technologie. Počítače, lasery a obor kvantové informatiky. Jaderná fyzika popisuje, jak se chovají jádra atomů. Popisuje radiaci, jaderné štěpení, rozdělení jádra atomu, které se používá v jaderných elektrárnách, a jadernou fúzi, která se odehrává uvnitř Slunce a kterou snad brzy budeme moct využívat i na Zemi.

Částicová fyzika se snaží najít ty nejzákladnější subatomické částice, které tvoří vše kolem nás. Jsou popsány ve standardním modelu částicové fyziky. Kvantová teorie pole bere vše z kvantové fyziky a spojuje to se speciální teorií relativity. Je to nejlepší popis vesmíru, který máme k dispozici.

Bohužel kvantová teorie pole nezohledňuje gravitaci. Fyzici netuší, jak spojit kvantovou fyziku a obecnou teorii relativity. Tím se dostáváme k propasti nevědomosti. Někdy v budoucnosti tuto propast zasypeme a přijdeme s teorií veškeré fyziky. Říkáme jí kvantová gravitace. Už jsme se o to mnohokrát pokusili. Například teorií strun, smyčkovou kvantovou gravitací a dalšími. Ale kvantová gravitace není jediné, co pozorujeme a nerozumíme tomu.

Také je tu záhada temné energie a temné hmoty. Zdá se, že tvoří 95 % vesmíru. Všechna naše fyzika popisuje pouze těch 5 %. Vše ostatní je záhadou. Existují další záhady jako Velký třesk. A také existují věci, o kterých nevíme, že je neznáme. Tím se dostáváme k oblaku, který zastiňuje celou fyziku – filozofii.

Mnoho fyziků si z filozofie dělá legraci, ale to právě filozofické otázky mnoho z nich motivují. Co je podstatou reality? Jak může vesmír vůbec existovat? Máme svobodnou vůli, když nás tvoří fyzika? Jak víme, že naše zkoumání fyziky nás vůbec dostane k tajům vesmíru? Proč je celá fyzika taková, jaká je?

To jsou hlavní otázky. Možná na ně najdeme odpověď, možná ne. Není důvod se vzdávat. To se fyzikům nepodobá. Toto byla mapa fyziky. Překlad: Mithril www.videacesky.cz