Historie fyziky a trochu matematiky Metody fyziky O

Historie fyziky (a trochu matematiky)

Metody fyziky O empirické O předvědecká zkušenost O měrná metoda O experimentální metoda O teoretické O mýtus O filozofická metoda O matematická metoda O Sloučením metod experimentálních, matematických a filozofických O komplexní metoda pro vědecké zkoumání přírody

Historický přehled – časová osa 4000 -3500 pravěk fyziky 0 stará fyzika předvědecké měrná metoda+filozofie, neúplný zkuš. +mýtus metodický aparát, nesoustavné poznatky Poznámka. Od roku 1900 moderní fyzika (kvantová teorie, teorie relativity a související disciplíny…) 1600 novověká (klasická fyzika) komplexní metoda

Historický přehled – průmyslové revoluce období 18. století přelom 19. a 20. století 2. polovina 20. století 21. století typ průmyslové revoluce 1. PR (pára) 2. PR (motory, hromadná výroba) 3. PR (elektronika) 4. PR (kybernetika + fyzikální systémy)

Stará fyzika O starověké říční civilizace Orientu O předvědecká zkušenost, měrná metoda O racionální pochopení přírodních jevů (starořečtí filozofové) O helénská věda, antický Řím O islámský a evropský středověk (metody elementární matematiky)

Aristoteles O vychovatel Alexandra Velikého O zabýval se: O filozofií O popisnou přírodovědou (zakladatel) O fyzikou (okrajově) O přesto ve fyzice: O Příroda není ničím jiným než souborem fyzických těles, sestávajících z látky a formy. (nikoli z atomů!) O živá příroda má duši O Látka a forma každého objektu je v neustálém pohybu. O dělí pohyby na: mechanické, chemické a biologické

O Každé bytí = dvojí stav – možnost a skutečnost. Pohyb O O O není nic jiného než přechod ze stavu možnosti do stavu skutečnosti. čas = nekonečný prostor = konečný neexistence vakua (strach z prázdnoty = horror vacui) 4 živly: látky pevné, kapaliny, plyny a oheň, popř. etér přirozenost základních živlů = lehké a těžké O pevné látky – absolutně těžké O oheň – lehký (nejvýše) OHEŇ O vzduch a voda VZDUCH O DŮKAZ: O nádoba s pískem, vodou KAPALINA a vzduchem ZEMĚ

O Země = nejtěžší živel, nemůže se pohybovat, musí tedy ležet ve středu vesmíru a musí mít tvar koule O A. vychází z kruhového zemského stínu na Měsíci O hmota a pohyb O od věčnosti existence nejen prvotní hmoty, ale i prvotního rozumu (prvotní rozum je prvotním nehybným hybatelem) prvotní rozum (duch) prvotní hmota

O Závěry a důsledky Aristotelovy mechaniky: O první zdánlivě logický světonázorový systém, který se opíral o pozorování a třídění jevů O zdánlivě bezesporné a logické A. teze mechaniky a kosmologie zpomalení vývoje mechaniky a celé fyziky O podpora teologických argumentů středověkého křesťanství a islámu O vyvrácení A. tezí…. (geocentrismus, horror vacui, antiatomismus, mechanika…) 17. století

Eukleidés O Významný geometr O Napsal knihu Základy, kde představil axiomatické pojetí geometrie (zdaleka ne dokonalé, ale přesto průlomové) O 5. postulát: A když přímka protínajíc dvě přímky tvoří na téže straně vnitřní (přilehlé) úhly menší dvou pravých, ty dvě přímky prodlouženy jsouce do nekonečna že se sbíhají na té straně, kde jsou úhly menší dvou pravých. O Právě 5. Eukleidův postulát zamotal matematikům hlavy na dlouhá staletí. Nakonec se ukázalo, že lze postavit geometrii, kde tento postulát splněn je i kde splněn není tzv. neeuklidovské geometrie.

Alexandrijský Múseion O ve srovnání s obdobím starořeckým se v hélenistickém období: motiv výzkumů není již jen filozofický zájem motiv technický, praktický mění se metoda fyziky, průnik matematiky hlavně geometrie (optika, mechanika) Poznatek alexandrijských učenců (rok = 365, 25 dne) – Juliánský kalendář ; Múseion (Musaeum, Mouseion): státní instituce, učenci měli pravidelný plat přístroje velké přesnosti i ceny knihovna 700 000 svazků rukopisů (její zničení = největší kulturní ztráta pro lidstvo vůbec)

Archimédes ze Syrakus (287 -212) řecký astronom, výborný matematik a mechanik 40 vynálezů knihy: O rovnováze O plovoucích tělesech O počtu písečných zrn… zakladatel statiky pevných těles a kapalin definice těžiště, statického momentu síly, podmínka rovnováhy na páce deduktivní metoda = postuláty, axiomy

Héro(n) z Alexandrie (10 -70) zvaný Mekanikos následovník Ktésibia největší fyzik před Galileem (srovnatelný s Archimédem) vakuum - stlačitelnost plynů, násosky, spojené nádoby, hydraulika skupenské přeměny, prototyp parní turbíny četné mechanické vynálezy (Heronova baňka, fontána…) teoretické práce (optika, matematika…) “kouzla” (přeměna vody ve víno…)

Novověká fyzika O komplexní metoda: experiment + matematika + filozofie O období rozvoje klasické fyziky (1600 -1900) O srovnání rozvoje v jednotlivých oblastech: mechanika optika termodynamika akustika elektřina a magnetismus

Počátky klasické fyziky Zásadní vliv matematiky (vznik diferenciálního a integrálního počtu – Newton, Leibniz) – umožnilo vznik a rozvoj klasické mechaniky a dalších disciplín

boj o vědecký světový názor renesanční osobnosti: O Mikuláš Koperník (1473– 1543) – heliocentrická soustava O Johannes Kepler (1571– 1630) – rozšíření Koperníkova učení (Keplerovy zákony)

Galileo Galilei (1564– 1642) italský fyzik O obrovský význam O zakladatel exp. fyziky O stanovení doby kyvu kyvadla O práce o volném pádu těles (Galileův padostroj) O úvahy o nakloněné rovině (Galileovo kyvadlo) O vodorovný vrh O princip relativnosti pohybů O základy dynamiky O významné astronomické práce (boj s církví o správnost Koperníkova tvrzení, aby se vyhnul osudu G. Bruna – odvolal)

William Gilbert (1540– 1603) O zakladatel moderního magnetismu O spis De Magnete (Nová fyzika o magnetu, magnetických tělesech a velkém magnetu Zemi)…vydaný v Londýně 1600 O zjistil, že třením lze zelektrovat tělesa (jantar, síru, diamant…) a odstranit náboj dotykem s vlhkými předměty O nebyl schopný změřit magnetické účinky el. proudu, usoudil magnetismus a elektřina spolu nesouvisí O dříve: Gb = již nepoužívaná jednotka magnetického (magnetomotorického) napětí

Isaac Newton (1643– 1727) anglický matematik a fyzik, jeden z největších géniů O stavba klasické mechaniky (Philosophiae naturalis principia mathematica, Londýn 1687) O definice základních fyzikálních pojmů O absolutní prostor a čas O pohybové zákony O gravitační zákon… deduktivní metodou odvodil Keplerovy zákony, doplnil je a zpřesnil O počítal poruchy v oběhu planet O vypočítal zploštění Země atd.

18. a 19. století

V první polovině 18. století: spor o tvar Země O Newton, Huygens… O Cassini… rozvoj teoretické mechaniky, termiky a optiky velký skok v 19. st. – elektromagnetická teorie (Maxwell)

Carl Friedrich Gauss (1777– 1855) německý matematik a fyzik O Gaussova křivka (chyby měření i humanitní obory) O V Mat například základní věta algebry, ve Fyz zásadní poznatky v elektřině (Gaussova věta elektrostatická…) O teorie zemského magnetismu William Rowen Hamilton (1805– 1865) anglický matematik a astronom O zobecnil princip nejmenší akce (předtím již provedl Maupertuis)

Vývoj názorů o podstatě světla… O undulační (Huygensova) vlnová teorie 1690: spis Traité de lumiére (Pojednání o světle) O emanační (Newtonova) částicová teorie 1704: spis Optics… (viz předchozí) objevy v 18. st. Newtonova teorie Huygensova teorie (do boje za ni: Euler – velký matematik, Young, Fresnel…) Dnes – částicově vlnový dualismus (světlo je někdy vlna, někdy proud částic

Vývoj názorů o elektřině a magnetismu O nejprve odděleně O rozdělení látek na vodiče a nevodiče O pokusy s atmosférickou elektřinou O vývoj elektrostatiky

Charles August de Coulomb (1736– 1806) O francouzský fyzik O zakladatel elektrostatiky O C. zákon Hans Christian Oersted (1777 -1851) O zjistil, že kolem vodiče s proudem vzniká magnetické pole (tj. elektřina magnetismus) Michael Faraday (1791– 1867) O jeden z největších experimentátorů všech dob O objev elektromagnetické indukce (magnetismus elektřina) O jeho práce základem pro konstrukci dynam a elektromotorů

Stacionární proud… Georg Simon Ohm (1787– 1854): O vztahy mezi napětím a proudem v el. obvodu O rezistivita materiálu

Velký skok… 1865 elektromagnetická (Maxwellova) teorie O James Clerk Maxwell (1831– 1879) 1) problematické vlastnosti éteru (charakter podélných vln, ne příčných, jak vyplývalo z experimentů) elektrická a magnetická vlna obě polarizovány v navzájem kolmých rovinách 2) světlo = část elektromagnetického spektra

Přelom 19. a 20. století (zrod moderní fyziky)

konec 19. století: O klasická fyzika (Newtonova mechanika, Maxwellova teorie elektromagnetismu a M-B statistika) uzavřenou vědou O měření k upřesnění vlastností látek O US patentový úředník CH. H. Duell údajně řekl: “Vše, co mohlo být vynalezeno, již vynalezeno byl” (nejspíše to není pravda, ale dobře vystihuje postoje řady tehdejších fyziků…) O Nevysvětlené experimenty resp. měření: podstata světelného éteru, spektrum záření AČT, stáčení perihelia Merkura O právě tyto experimenty = otřesy základů fyziky

Balmer – jednoduché zákonitosti rozložení spektrálních čar, ale smysl uniká… až Henri Poincaré (1854– 1912) O profesor na Sorbonně, ředitel pařížské hvězdárny O stál i u vzniku teorie relativity O výzkum rozložení spektrálních čar = jedno z nejdůležitějších tajemství přírody

další průlom ve vědecké revoluci: 14. 12. 1900 zasedání německé fyzikální společnosti v Berlíně příspěvek Maxe Plancka (pokus o teoretické odvození závislosti hustoty energie záření AČT na frekvenci… zásadní předpoklad: energie je kvantována!!!) Max Planck (1858– 1947) O německý fyzik O klasik, který dokázal překročit hranice KT O pochopil význam TR O 1874: rozhodoval se mezi dráhou klavírní virtuóza a fyzikou O hudby se ale nevzdal (složil operetu) O 1889: Berlín – profesura na uni, společenská aktivita O ostré polemiky s kolegy (statist výklad entropie – Boltzmann) O jeho téma: záření AČT O kritika Wienova zákona (Rayleigh), Rayleighův-Jeansův zákon (ultrafialová katastrofa)… experimentálně potvrzeno, že klasická fyzika selhává O Planck odhadl zákon, který souhlasil s experimentem v celé oblasti spektra, ale nutnost vysvětlení

Max Planck… pokračování: O matematická hypotéza: energie oscilátoru se nemění spojitě (ale po malých skocích = elementárních dávkách) O celková střední energie = sčítání nekonečné řady (Planckův vyzařovací zákon) O Planckova konstanta – klíčem do mikrosvěta (její nepatrnost ukazuje, proč v makrosvětě nepozorujeme „zrnitost“ = nespojitost energie a dalších fyzikálních veličin) O vznik kvantové teorie (Planck vůči svým závěrům skeptický) Lorentz: Planckova hypotéza v rozporu s klasickou mechanikou… paradox! (to je její největší přínos)

další nerozřešenou otázkou = éter O původně pátý živel O prostředí zaplňující celý vesmír a pronikající všechna průhledná tělesa O nehybnost éteru? … absolutní vztažná soustava O experimenty týkající se vlastností světla: představa o éteru narušena (na jedné straně nehybný, na druhé vlastnosti pružných látek, schopnost pronikat mezi atomy plynů, kapalin i PL) 1887: Michelsonův-Morleyův experiment O interferometr na mramoru ve rtuti O žádný záznam posunutí interferenčních proužků O přesnost měření přitom taková, že pohyb Země vůči éteru se projevit musel O slavný exp. i když negativní výsledky O ? výklad: Země s sebou éter unáší

Lorentzovy transformace (zobecnění Galileových transformací a tedy Newtonovy mechaniky) O Lorentz (1904) – podstata speciální teorie relativity, ale Lorentz je neuchopil správně, to dokázal až A. Einstein v roce 1905.

Albert Einstein (1879 -1955) O výjimečné postavení = symbol geniality O pojem relativnosti starý jako lidstvo samo O princip relativity: v různých vztažných soustavách mají fyzikální zákony stejný matematický tvar – nelze soustavy odlišit O výraz TR: Hamilton, Maxwell, Poincaré O STR: překlenutí rozporu mezi New. a Maxw. fyzikou (nový pohled na čas, který může různě plynout v různých vztažných soustavách) = fyzikální přístroje, konstrukce různých zařízení (GPS) O OTR: moderní teorie gravitace (fyzikální jevy v kosmickém prostoru, jemná měření, chod času) O rozporuplná povaha i chování, odmítání autority O nebyl zázračným dítětem, nebral však věci a jevy za samozřejmé, bez nadání na jazyky

Albert Einstein… pokračování: O přesvědčený pacifista, statečnost ve veřejném vystupování, obrana demokracie O Eukleidovy základy = „kniha knih“ (přechod od EG k zakřivenému prostoru … OTR) O v dospívání osamocen (rodiče v Itálii) – ukončení školy, vyvázání z německého občanství i z židovské církve O od 16 let v Curychu (SŠ, Polytechnika)… O Minkowski (rozpracoval teorii 4 D)… práce o vedení tepla AE záškolák O 1901: práce týkající se kapilárních jevů O 1905: annus mirabilis = základy AF, KT, TR (historicky srovnatelné jen s výkonem mladého I. Newtona)

Albert Einstein… pokračování: O 1905: O 1. o záření a o energetických vlastnostech světla (fotoefekt) O 2. určení velikosti atomů z difúze a vnitřního tření neutrální látky O 3. teorie Brownova pohybu O 4. elektrodynamika pohybujících se těles za použití modifikované nauky o prostoru a času O 1912: základní zákon fotochemie (1 foton vyvolává 1 fotochemickou reakci) O 1916: souvislost mezi vyzařováním a pohlcováním fotonů, předpověděl indukovanou emisi záření (duchovním dědečkem laserů) O ad 3) Smoluchowski, Perrin – NC 1926 O ad 4): „K elektrodynamice pohybujících se těles“ O 2 významné postuláty: pcip relativity a pcip stálosti c

Albert Einstein… pokračování: O 1907: „O setrvačnosti energie vyplývající z principu relativity“ O málo fyziků ocenili TR: Planck, Nernst, Laue, Minkowski, Langevin, Umov O 1911: AE v Praze (Lesnická ul. na Smíchově), přednášky z mechaniky a termodynamiky (11 prací během pobytu, cítí spřízněnost s Keplerem, nikoli s GG) O 29. 10. 1911: Solvayův kongres (Brusel)… téma: teorie záření a kvanta (další kongresy… do 2005 = 23, poslední na téma kvantová struktura prostoročasu, památný kogres z roku 1927: střet AE s Bohrem v interpretaci KM… „Bůh přece nehraje v kostky!“) O krátký návrat do Prahy v 1921(přednáška o TR) O 1915: otázky OTR O předpověď E-de Haasova jevu(vztah mezi mechanickým a magnetickým momentem)

Albert Einstein… pokračování: O 1915: OTR… soustava 10 nelineárních parciálních DR pro 10 potenciálů O nutnost stočení perihelia Merkura O 1919: měření v rovníkové Africe. . Eddington O potvrzení Einsteinových závěrů O kosmologické důsledky OTR: pro silné gravitační pole… existence singularit (superhustých stavů hmoty, zakřivují prostoročas natolik, že nevypouštějí žádné světlo = ČD) O 1933: odchod do USA (Princeton) O ikona x generační propast s fyziky v USA O angažování v mírových iniciativách O hořkost posledních let O jednotná teorie částic a polí? ? ?

Kde hledat víc: O KMT/HF – Historie fyziky (Dr. Jitka Prokšová) O KMA/HIM – Historie matematiky (Dr. Martina Kašparová) O Wolfgang Schreier: Geschichte der Physik O Lee Smolin: Fyzika v potížích O Walter Patrick, Hey Tony: Nový kvantový vesmír O Richard Feynmann: Přednášky z fyziky