| s-4
| Výjimku z postupu od běžné zkušenosti k složitějším jevům, který je jednou ze zásad didaktiky vyjádřené již v Komenského spisech, tvoří tato kapitola. |
| s-5
| Začíná totiž popisem objektů, které svými smysly vůbec nemůžeme postřehnout, atomů a elementárních částic. |
| s-6
| Důvodem pro tuto odchylku od běžných a uznávaných zásad pedagogické praxe je stav fyziky # století. |
| s-7
| Ten se liší od všeho, čeho dosáhla fyzika v době předchozí. |
| s-8
| Moderní fyzika totiž nejen jednoznačně dokázala atomovou strukturu látek, ale odhalila i strukturu a vlastnosti atomů samých, rozložila je teoreticky i experimentálně na ještě jednodušší stavební kameny, nalezla strukturu atomového jádra, prozkoumala nukleony, které jádra skládají, a objevila síly, kterými na sebe elementární částice, elektron, proton a neutron, působí a které umožňují vznik větších a složitějších celků. |
| s-9
| Poznání atomové struktury látek, struktury atomů a vlastností elementárních částic je zcela mimo dosah přímé smyslové zkušenosti člověka. |
| s-10
| Ani nejcitlivější elektronový mikroskop, a tím méně mikroskop optický, nedokáže zobrazit jednotlivý atom, či dokonce jeho strukturu. |
| s-11
| Pouze řadou nepřímých měření s použitím teoretického zpracování se fyzice podařilo v tomto století dokázat, že okolní svět se nám jeví, jako kdyby byl vytvořen ze spojitých látek, jenom proto, že naše smysly nejsou schopny rozlišit jednotlivé stavební kameny, z nichž je jeho obraz složen. |
| s-12
| Co však je na objevech fyziky # století nejznamenitější a přitom málo zdůrazňované, je skutečnost, že vlastnosti oněch mozaikových kamenů do značné míry předurčují vlastnosti látek z nich složených. |
| s-13
| Jestliže se fyzika # století, a tím spíše ostatní obory přírodních věd, musela spokojit popisem složitých a velmi rozmanitých vlastností látek, aniž mohla vysvětlit hlubší příčiny těchto vlastností, umí dnešní fyzika vysvětlit i velmi složité vlastnosti látek s komplikovanou strukturou, jako jsou například krystaly polovodičů, a stejně tak i vlastnosti kapalin, plynů a plazmatu tak, že vychází z vlastností atomů, nebo dokonce z vlastností ještě jednodušších částic, elektronů a nukleonů, které tyto látky tvoří. |
| s-14
| Fyzikální obraz světa se poznáním atomové struktury látek a prozkoumáním vlastností atomů a elementárních částic nesmírně zjednodušil. |
| s-15
| V elementárních částicích, z nichž se skládá atom, našla fyzika vlastně onu dávno hledanou pralátku, jednoduchou základní substanci, z níž jsou složeny věci kolem nás, a ukázala, že nesmírná rozmanitost hmoty a jejích vlastností, jak je vidíme kolem sebe, není důsledkem rozmanitosti základních stavebních prvků, nýbrž pouze důsledkem rozmanitosti struktur, které elementární částice mohou vytvářet. |
| s-16
| Elementárních částic, které vytvářejí složitější celky, je pouze několik a také druhy sil, které mezi nimi působí, jsou početně omezené. |
| s-17
| Jsou známy pouze čtyři, elektromagnetické, gravitační, silné jaderné a slabé jaderné síly. |
| s-18
| Fyzika minulých století, která neznala atomovou strukturu látek a zacházela s nimi jako se spojitými substancemi, byla v situaci, kterou lze obrazně přirovnat k situaci člověka, který by z velké dálky nebo výšky pozoroval lesy nejrůznějších druhů a snažil se pochopit jejich vlastnosti, aniž by věděl, že je tvoří stromy, a aniž by znal vlastnosti těchto stromů. |
| s-19
| Změna barev s ročním obdobím u jednoho druhu lesů, stálá zeleň u jiných, dlouhodobé časové změny spojené s růstem, obraz smíšených lesů, to vše by bylo pouze obsáhlým popisem zdlouhavých a rozsáhlých pozorování, ale hlubší příčiny pozorovaných vlastností by zůstávaly neodhaleny. |
| s-20
| Do takové situace se dokonce dnes už těžko dovedeme vžít. |
| s-21
| Teprve když si připomeneme, kolik diskusí bylo v minulosti například kolem astronomických pozorování kanálů planety Marsu, které se údajně objevovaly, zanikaly a měnily barvu se změnou ročních období a které se různě vysvětlovaly, buď změnami vegetace, či výtvory myslících bytostí, získáme určitou představu o potížích, s nimiž se setkáváme, chceme-livysvětlit pozorované jevy tam, kde chybí znalosti o jejich vnitřních příčinách či, jak se často ve fyzice říká, o jejich vnitřním mechanismu. |
| s-22
| Vlastnosti jednotlivých stromů známe z běžné zkušenosti a vlastnosti jejich velkých seskupení jsou nám proto zcela pochopitelné, i když se růst stromů v lese poněkud liší od růstu osamělých jedinců. |
| s-23
| Podobně dnešní fyzika, která poznala velmi podrobně vlastnosti atomů, může vysvětlit, a dokonce předpovědět vlastnosti systémů složených z velkého počtu atomů navzájem na sebe působících. |
| s-24
| Pochopení základních vlastností atomů a jejich vzájemného silového působení ušetří velmi mnoho námahy při popisu těch vlastností látek, které přímo svými smysly vnímáme. |
| s-25
| Fenomenologické jevové vlastnosti látek mají svůj původ ve vlastnostech atomů nebo elementárních částic i tehdy, jde-lio vlastnosti, které mohou mít jen velká uskupení těchto částic, například teplotu, tlak. |
| s-26
| Znalost vlastností atomů a elementárních částic a sil, které mezi nimi působí, dala moderní fyzice možnost nejen vysvětlovat pozorované jevy, ale i předpovídat vlastnosti látek v nových, dosud neuskutečněných podmínkách a popřípadě vytvářet záměrně látky s vlastnostmi, které se v přírodě nevyskytují. |
| s-27
| Je to zcela opačný a nesrovnatelně účinnější způsob plnění materiálních požadavků lidské společnosti než stará empirická cesta, kterou člověk používal po desítky tisíc let a při které trpělivým zkoušením různých výrobních postupů občas náhodou objevil způsob, jak lépe opracovat dřevo či kámen, zlepšit vlastnosti kovů, stavebních hmot, zbraní či prostředků k lovu a zemědělství. |
| s-28
| Stejně tak je mnohem účinnější takový způsob poznávání vlastností plazmatu v nejrůznější podobě, který vychází z vlastností částic, z nichž je plazma složeno. |
| s-29
| Proto vlastnosti těchto částic probíráme v této kapitole. |
| s-30
| Údajů o atomech a elementárních částicích potřebných pro pochopení vlastností plazmatu není mnoho. |
| s-31
| Vyplývají však většinou z dosti komplikovaných experimentů, takže je musíme uvést bez důkazů a bez vysvětlení, jak k nim fyzika dospěla. |
| s-32
| Příslušný výklad je možno nalézt v publikacích věnovaných fyzice elementárních částic. |
| s-33
| Pro nás však není důležitý a jeho vypuštění rozhodně nebude na újmu srozumitelnosti dalšího textu. |
| s-34
| Zkusme si položit otázku. |
| s-35
| Která informace by byla ze všech poznatků lidstva nejdůležitější a nejcennější pro další generace, kdyby následkem nějaké katastrofy byly zničeny všechny materiální a kulturní hodnoty, které lidstvo až dosud nashromáždilo, i dokumentace a paměť o nich. |
| s-36
| Nebo, abychom celý problém zařadili do optimističtějšího rámce, jakou informaci bychom měli při velmi omezeném rozsahu zprávy předat myslícím, avšak technicky málo vyspělým bytostem v jiné části Galaxie, aby mohly co nejrychleji dosáhnout vysoké technické a vědecké úrovně. |
| s-37
| Obecná odpověď na tuto otázku je sotva možná. |
| s-38
| Ve většině situací by však byla pravděpodobně nejdůležitější informace o poznatcích moderní fyziky, o atomové struktuře látek, o struktuře atomů a atomových jader, o silách, které vedou ke vzniku větších celků z atomů složených, a o metodách poznávání těchto struktur. |
| s-39
| Těžko si lze představit přesvědčivější důkaz o nesprávnosti tvrzení nic nového pod sluncem než právě tyto poznatky moderní fyziky. |
| s-40
| Lidstvo se k nim dopracovalo po desítkách tisíc let vývoje společenské výroby a my máme to štěstí, že žijeme právě v tom století, kdy k tomu došlo. |
| s-41
| Za oněch deset tisíciletí postupně vzniklo a zase zaniklo mnoho vyspělých kultur a mocných říší, počínaje Sumery, Babylóňany a Asyřany přes egyptské tisícileté říše, Řeky a Římany až po středověké evropské civilizace. |
| s-42
| Dodnes se obdivujeme nejen dochovaným uměleckým dílům, ale i technické úrovni mnohých z těchto kultur. |
| s-43
| Avšak žádná z nich nepronikla za hranice přímé smyslové zkušenosti, byť často velmi důmyslně využité v dopravních prostředcích, zavlažovacích zařízeních, v bytové kultuře, v umění a ve stavebnictví, jako při výstavbě egyptských pyramid nebo chrámů. |
| s-44
| Žádná z těchto kultur nenašla také dostatečné zdroje mechanické energie a vysoká životní a kulturní úroveň byla dosahována vždy jen u nepočetné vrstvy obyvatelstva přivlastněním výsledků práce nesrovnatelně většího počtu chudých lidí. |
| s-45
| Ve dvacátém století byly objeveny a využity zdroje energie, které, přepočítáno na jednoho obyvatele, převyšují ve vyspělých zemích již mnohokrát fyzickou sílu člověka, a zvládnutí vlastností atomů umožnilo vytvořit technická zařízení, jako jsou krystalové zesilovače, paměťové prvky, která aspoň v některých směrech nahrazují nebo i předčí mozek člověka a slouží k masovému předávání a zpracování informací a k automatickému řízení výroby. |
| s-46
| Tato technika může už dnes zajistit materiální blahobyt nejen pro privilegovanou úzkou vrstvu obyvatelstva, ale, pokud by společenský řád plně odpovídal dosažené úrovni vědy a techniky, pro všechny obyvatele planety. |
| s-47
| Zpráva pro jinou planetu, která by měla urychlit technický vývoj tamních myslících bytostí, by tedy především měla obsahovat ty poznatky, které lidstvo hledalo nejdéle a které jsou vlastně společným základem i pro přírodní zákony, které známe ze smyslové zkušenosti. |
| s-48
| Pokusíme se zde takovou stručnou zprávu zformulovat. |
| s-49
| Především zařadíme informaci o atomové struktuře látek a o struktuře atomů. |
| s-50
| Pevné látky, kapaliny a plyny jsou složeny z atomů, což jsou částice zhruba kulového tvaru s průměrem řádu # metru. |
| s-51
| Většinu prostoru v atomu vyplňují lehké částice, elektrony, které jsou všechny zcela stejné. |
| s-52
| Elektron má hmotnost # * a záporný elektrický náboj rovný # coulombu. |
| s-53
| Většina hmoty atomu je soustředěna uprostřed, v jádře s rozměry řádu # * , které má kladný elektrický náboj a přitahuje záporně nabité elektrony. |
| s-54
| Jádro atomu je složeno z nukleonů, protonů a neutronů. |
| s-55
| Proton je částice s nábojem stejně velikým, jako má elektron, avšak kladným a má hmotnost rovnou # * . |
| s-56
| Neutron má hmotnost stejnou a nemá elektrický náboj. |
| s-57
| Elektron, proton a neutron se zatím nepodařilo rozbít na jednodušší částice, používaly se energie vzájemných srážek až do # * . |
| s-58
| Částice se stejnojmennými náboji se navzájem odpuzují, s opačnými přitahují. |
| s-59
| Při vzájemném pohybu nabitých částic působí mezi nimi ještě další síla, magnetická. |
| s-60
| Jde o stejné dva druhy sil, jaké působí mezi elektricky nabitými tělesy a mezi dráty, jimiž prochází elektrický proud. |
| s-61
| Proton, elektron a neutron působí na sebe kromě toho magnetickou silou vyvolanou jejich vlastním magnetickým momentem, tyto částice se chovají jako malé magnety. |
| s-62
| Elektron, proton i neutron se chovají současně jako částice i jako vlny. |
| s-63
| V atomech a větších celcích tvoří elektrony složité vlnové obrazce a mohou se pohybovat jen ve zcela určitých drahách odpovídajících stojatým prostorovým vlnám. |
| s-64
| Poslední informace vyjadřuje stručně překvapující poznatek získaný fyzikou prvních desetiletí tohoto století. |
| s-65
| Fyzikové ho dosáhli s velkými obtížemi, neboť se museli vzdát vžité představy o úplné podobnosti atomů, elektronů a jiných mikročástic s tělesy velkých rozměrů. |
| s-66
| Nejjednodušší atom, atom vodíku, má za jádro proton a v obálce jediný elektron. |
| s-67
| Přitažlivá síla mezi nesouhlasně nabitým protonem a elektronem je vyrovnána odstředivou silou jeho pohybu. |
| s-68
| Elektron nemůže být blíže k protonu než asi # * . |
| s-69
| Nedovoluje to délka vln, s nimiž je jeho pohyb spojen. |
| s-70
| K odtržení elektronu od protonu, k ionizaci atomu vodíku, je nutná minimální energie # * . |
| s-71
| Elektron má řadu dalších možných drah, vlnových obrazců, v atomu. |
| s-72
| Při přechodu ze vzdálenější hladiny na bližší vyzařuje atom kvantum energie odpovídající rozdílu energií mezi oběma stavy, a to ve formě elektromagnetických vln. |
| s-73
| Všechny ostatní atomy mají dva nebo více protonů v jádře a dva nebo více elektronů v obálce. |
| s-74
| Elektrony postupně zaplňují dráhy, vlnové obrazce, kolem jádra, počínaje drahou nejbližší. |
| s-75
| Elektrický náboj jádra přitahuje elektrony a udržuje je v atomové obálce. |
| s-76
| Poznatky jaderné fyziky lze nejstručněji shrnout takto. |
| s-77
| V jádře prvků jsou protony a neutrony drženy pohromadě novým druhem sil, odlišných od elektromagnetických sil působících pouze na krátkou vzdálenost, jaderných sil. |
| s-78
| Energie vzájemné vazby protonů a neutronů v jádře je zhruba miliónkrát větší než energie vazby elektronu v atomu vodíku. |
| s-79
| Velmi těžká jádra s # a více protony jsou nestabilní, neboť odpudivá elektrická síla mezi souhlasně nabitými protony je u těchto jader již srovnatelná s přitažlivou silou mezi nukleony. |
| s-80
| Projevuje se to samovolným rozpadem těchto jader, radioaktivitou. |
| s-81
| Nejstálejší jsou jádra se # až # protony a poněkud větším počtem neutronů. |
| s-82
| K rozdělení těchto jader na jednotlivé protony a neutrony je nutná energie # nukleon. |
| s-83
| Spojováním lehkých jader nebo štěpením těžkých jader je možno získat energii řádu # jádro. |
| s-84
| Chemie a fyzika pevných látek staví na fyzikálních poznatcích, které pro co nejstručnější zprávu lze zformulovat takto. |
| s-85
| Atomy se mohou spojovat a tvořit větší celky, molekuly, krystaly. |
| s-86
| Vlastnosti atomů pro toto sdružování jsou určeny konfiguracemi elektronů nejvzdálenějších od jader. |
| s-87
| Atomy, jejichž jádra mají stejný počet protonů, avšak různý počet neutronů, izotopy, se chovají z hlediska sdružování s jinými atomy stejně, chemické vlastnosti izotopů téhož prvku jsou totožné. |
| s-88
| Sdružování atomů ve větší stabilní celky je spojeno s uvolněním energie řádu # až # * na atom, a to buď ve formě záření, nebo pohybu nově vzniklých částic, molekul. |
| s-89
| V další části zprávy, která zatím obsahuje údaje nezjistitelné pouhým pozorováním pomocí smyslů, by mělo následovat spojení uvedených vlastností atomů s jevy, které přímo pozorujeme. |
| s-90
| Hlavní informace by byly patrně tyto. |
| s-91
| Teplo je energie neuspořádaného chaotického pohybu atomů a molekul. |
| s-92
| Světlo je elektromagnetické vlnění s délkou vlny mezi # metru až # metru. |
| s-93
| Chová se současně jako proud částic pohybujících se rychlostí # * a nesoucích kvanta energie od # * do # * . |
| s-94
| Částice a jakákoli tělesa z nich složená zvyšují svým pohybem vlastní hmotnost a nemohou nikdy dosáhnout rychlosti světla. |
| s-95
| To je stručná formulace poznatku, na němž je založena teorie relativity. |
| s-96
| Přitažlivá síla mezi planetou a Sluncem, gravitace, není ani elektromagnetické, ani jaderné povahy. |
| s-97
| Jde o jiný typ síly uplatňující se znatelně mezi tělesy, z nichž alespoň jedno má velkou hmotnost. |
| s-98
| V uvedených informacích je právě to hlavní, co je základem moderní fyziky. |
| s-99
| Zákony chemického slučování prvků, vlastnosti molekul, krystalů, spektra atomů a molekul, uvolňování jaderné energie a ovšem i zákony mechaniky, termodynamiky, optiky a ostatních klasických disciplin fyziky stejně jako nauku o elektřině a magnetismu je možné odvodit z uvedených vlastností částic a působících sil, pokud by ovšem byly formulovány matematicky, kvantitativně, což zde, vzhledem k charakteru knížky, by nebylo vhodné. |
| s-100
| V tom, co jsme dosud odvysílali, však chybějí ještě dvě podstatné informace. |
| s-101
| První je definice jednotek hmotnosti, elektrického náboje, délky a časové jednotky. |
| s-102
| Nehodí se v tomto případě ani odvolání na prototyp kilogramu uložený v Paříži, ani na definici časové jednotky podle doby jednoho oběhu Země kolem Slunce či na platinoiridiovou tyč v případě definice metru. |
| s-103
| Vteřina i metr jsou ovšem dnes již definovány nezávisle na těchto normálech, a to vteřina pomocí počtu kmitů vysokofrekvenčního záření, které vysílá atom césia, a metr počtem délek vlny modré spektrální čáry atomu xenonu. |