Teorie elementárních částic a kvantová mechanika hrají fundamentální roli nejen v poznání mikrokosmu, ale zejména v moderní kosmologii při řešení otázek spojených se vznikem vesmíru a jeho vývojem v prvních sekundách.

Tento text byl zpracován podle knihy Jana Fischera "Průhledy do mikrokosmu".

Literatura:

[1] Fischer, Jan: Průhledy do mikrokosmu. Mladá Fronta, Praha 1986

[2] Landau, Lev Davidovič - Lifšic, Jevgenij Michajlovič: Kvantová mechanika. Alfa, Bratislava 1982

[3] Misner, Charles W. - Thorne, Kip S. (California Institute of Technology) - Wheeler, John Archibald (Princeton University): Gravitation. W.H. Freeman and Company, San Francisco 1973

[4] Grygar, Jiří: Krátký kurs kosmologie. Věda a technika mládeži, 1987

[5] Stuchlík, Zdeněk: Inflace ve vesmíru. Technický magazín

"Průvodčí moji a každého, kdož ve světě tápá,
v pravdě jsou dva; drzosť mysli všeho ohledující,
a zastaralý při věcech zvyk, pravdy barvu
šalbám světa dávající."
                                                   Jan Ámos Komenský: Labyrint světa a ráj srdce

Z čeho je složen svět? Existují nejmenší částice hmoty? Platí pro ně zákony podobné zákonům makrosvěta? Tyto otázky náležejí k nejstarším, jaké kdy člověka zajímaly a vzrušovaly. Kladli si je před více než 25 stoletími ve starověkém Řecku a klade si je moderní přírodověda i dnes. Atom současné fyziky není ovšem totožný s atomem starověkých filozofů. Člověk poznal jeho stavbu a zjistil v něm neobyčejně pevné a rozměrově nepatrné jádro, složené z protonů a neutronů.

V chápání základní struktury hmoty dosáhla fyzika v posledních letech velkého pokroku. Proton, neutron a asi dalších tři sta příbuzných objektů bylo klasifikováno na základě teorie symetrie, což umožnilo předpovědět dosud neznámé objekty a jejich vlastnosti. Fyzikové studují síly mezi těmito objekty a na tomto základě je budována jednotná teorie silových interakcí.

Za své úspěchy vděčí fyzika mikrosvěta dokonalému přístrojovému vybavení, urychlovačům částic, detekčním registračním aparaturám a počítačům. Na jejich parametry jsou kladeny vysoké nároky na přesnost a výkon.

Náš první kontakt s pozorovaným předmětem spočívá většinou v tom, že posuzujeme jeho rozměry a tvar. Pokud chceme vyjít za rámec běžných velikostí, vyžaduje to od nás určité myšlenkové úsilí, představivost a schopnost abstrakce.

Měřit velmi malé vzdálenosti pomocí času potřebného k jejich překonání vyžaduje zkušenost s velmi krátkými časovými intervaly, kterou však nemáme. Právě proto se nám tímto způsobem mikrosvět znatelně nepřiblíží. Jinou cestou je představa, jak by asi viděl svět atomů a molekul nějaký velmi zmenšený lidský pozorovatel. Této abstrakce využili ve svých literárních dílech například Luis Carrol ve svém pohádkovém příběhu "Alenka v říši divů", americký fyzik ruského původu George Gamow ve své sbírce vědecko- fantastických povídek "Pan Tompkins v říši divů" (viz článek George Gamow, Natura 2/95) nebo Jan Weiss v povídce "Meteor strýce Žulijána".

Mikrosvět ovšem není pouze zmenšený svět a nedostaneme se do něj pouhým zmenšováním vlastních rozměrů. Běžně pozorované vlastnosti makrokosmu v něm ztrácejí svůj původní význam. Lze pochybovat, zda má smysl vůbec pojem rozměrů, polohy, vzdálenosti, rychlosti nebo energie objektu. Lze pochybovat o tom, zda sledovaný děj se podobá letu kuličky v prostoru nebo vlnění na vodní hladině. Mnoho pojmů a vlastností, které v makrosvětě považujeme za nesporné a nepostradatelné, v mikrosvětě ztrácí zcela svůj smysl. Na druhé straně se objevují nové zákony, jejichž účinek v makrosvětě není vůbec patrný, jako je zákon zachování izospinu nebo podivnosti.

Nejzákladnější zákony mikrosvěta a makrosvěta jsou společné. Pouze se v jiných podmínkách jinak projevují. Obtížnost představy mikrosvěta není způsobena ani tak povahou mikrosvěta samotného, jako tím, že sebou neprávem bereme představy a návyky z makrosvěta, které jsou v nás hluboce zakořeněné a nepochybujeme o jejich platnosti.

Předmětem fyziky elementárních částic je experimentální a teoretické studium základních stavebních kamenů hmoty.

Řecké filozofické školy od Thaléta před Démokrita až k Aristotelovi se ve svém bádání ubíraly různými směry, ale v podstatě si kladly společnou otázku. Touto otázkou bylo, zda není možné nesmírné množství různorodých, z formy do formy přecházejících látek, uvést na menší počet nějakých látek základních. Jsou látky, které se vzájemně přeměňují, pouze projevy nějakého společného základu? Má hmota skladbu vláčnou a spojitou anebo je složena z nesmírně drobných, tvrdých tělísek, které jsou zraku neviditelné a hmatem je necítíme?

V otázkách filozofů se stále objevuje problém základní látky, tedy stavebních kamenů hmoty. Je pozoruhodné, že ačkoliv neměli prakticky žádné přírodovědecké znalosti, dokázali řečtí filozofové správně formulovat problém jako redukci mnohotvárného a rozmanitého na něco jednoduchého. K základním látkám docházeli ovšem různým i různě početným. Pouze někteří z nich (Leukippos, Démokritos) dospěli k pojmu nejmenších částic, ikdyž pouhou úvahou.

Ve starověkém Řecku již existovaly základy matematiky a experimentální techniky (Thalés, Archimédés). Technika však nebyla chápána jako prostředek ke zkoumání přírody a k hledání odpovědi na otázku, z čeho je svět složen. Základním prostředkem poznání byla jednak úvaha a jednak smyslová zkušenost (empirie), zpravidla ovšem bez kvantitativního vyjádření a pokusů. Experimentální metody Řekové odmítali, protože podle nich nevedly ke skutečnému poznání, neboť nezkoumají přírodu neporušenou.

Přesto je zajímavé, že Thalés Mílétský (kolem 624 - 543 př.n.l.), který si kladl otázku po podstatě světa, byl orientován spíš prakticky, než filozoficky. Vyznal se v astronomii a geometrii, předpověděl zatmění Měsíce v roce 585 př.n.l. a vynalezl způsob měření výšky pyramid a zjišťování vzdáleností lodí od pobřeží. Jeho řešení otázky po podstatě světa tomu odpovídá. Podstatou světa je Tháletovi voda. Tato odpověď nás nepřekvapí, uvážíme-li hojný výskyt vody na Zemi a její důležitost pro život starých Řeků, její schopnost přijímat nejrozmanitější tvary a podoby i všechna tři skupenství.

Anaximandros z Mílétu (asi 610 - 546 př.n.l.) považoval za základ světa neurčité a nerozrůzněné "apeiron". Anaximenés z Mílétu (6.stol.) považoval za základ světa vzduch, Xenofanés z Kolofónu (asi 565 - 470 př.n.l.) zemi, Hérakleitos z Efesu (kolem 500 př.n.l.) oheň. Vyvrcholením tohoto vývoje je antická nauka o čtyřech živlech, která v Aristotelově pojetí ovládla evropské myšlení až do novověku. Podlé této nauky jsou základem všech věcí čtyři látky, a to oheň, voda, vzduch a země, které jsou v každé věci zastoupeny v různé míře. V některých pojetích byla tato soustava čtyř živlů doplněna živlem pátým - éterem, kvintesencí. Tento živel byl umísťován do sféry planet, Měsíce, Slunce a hvězd na nebeské sféře.

Zcela jiné bylo pojetí řeckých atomistů, Leukippa (5.stol. př.n.l.) a Démokrita (nar. 460 př.n.l.), kteří zavedli do stavby hmoty nejmenší nedělitelná tělíska. Pokud hmotu dělíme nejostřejším nožem, jaký si lze představit, dovozuje Démokritos, dojdeme nakonec k částicím, které nelze dále dělit. Atomy jsou podle Démokrita nesmírně malé, mají různé tvary a jsou opatřeny důlky nebo háčky, nepřetržitě se pohybují v prázdném prostoru, jsou různě těžké a různě pohyblivé. Mají schopnost se sdružovat a shlukovat, čímž vznikají pozorované hmotné útvary. Atomy, podle Démokrita, zprostředkují i vjemy tím, že vnikají z pozorovaných předmětů do lidských smyslů.

Pojetí hmoty pomocí živlů vysvětluje pozorované pozorovaným. Všechny předměty v přírodě jsou vysvětleny ohněm, vodou, vzduchem a zemí, které také pozorujeme. Sucho a vlhkost jsou vysvětleny suchem a vlhkem. Nesmírná rozmanitost pozorovaných útvarů se vysvětluje nesmírně rozmanitými možnostmi spojování základních čtyř živlů.

Atomistické pojetí vysvětluje pozorované nepozorovaným. Všechny předměty vysvětluje pomocí atomů, tedy objektů, se kterými se v přírodě nesetkáváme. Sucho, vlhkost, barva, tvar, pružnost a chuť věcí jsou vysvětlovány jako odvozené, sekundární vlastnosti, které jsou důsledkem prvotních, skutečných ale nepozorovaných vlastností atomů, jako je jejich tvar, velikost, váha a pohyblivost.

Řečtí atomisté geniálním způsobem předpověděli to, co po více než dvou tisíciletích objevila moderní přírodověda. Přesto je mezi poznáním řeckých atomistů a poznáním moderní přírodovědy zásadní rozdíl. Tento rozdíl spočívá v metodách studia přírody. Moderní přírodověda došla k existenci molekul, atomů a elementár- ních částic experimentem. Chemie od 18.století prováděla slučování prvků v sloučeniny a rozklad těchto sloučenin na jednotlivé prvky. Přitom se zjistilo, že slučování probíhá jen v určitých hmotnostních poměrech. Dané množství kyslíkového plynu bylo schopno přijmout jen určité množství vodíkového plynu k tomu, aby vznikla voda. Pokud dodáme vodíku více, zbude nevyužit, pokud ho dodáme méně, zbude nevyužitý kyslík. Tento přesvědčivý argument o atomární struktuře hmoty byl následován řadou dalších, které vyvrcholily v bouřlivém rozvoji chemie v 19.století. O struktuře samotných atomů vypovídaly pokusy fyziků ve 20.století. Spočívaly především v ostřelování atomů elektricky nabitými částicemi a elektromagnetickým zářením.

Je poučné si všimnout, jak řečtí atomisté dospěli ke svým závěrům o zrnité struktuře látek. Jejich postup byl čistě spekulativní a jejich filozofie byla kompromisem mezi dvěma extrémními názory, které se zdály zcela nesmiřitelné. První z nich představoval Hérakleitos z Efesu, který chápal svět především jako neustálou změnu, proces, který nikdy nekončí a je hnán vpřed bojem a souhrou protikladných sil a faktorů. Hérakleitos považoval změny za zdroj a základ existence. Naproti tomu Parmenidés (asi 540 - 470 př.n.l. nebo 515 - 445 př.n.l.) a Zenón (asi 490 - 430 př.n.l.), představitelé tzv. elejské školy, popírali závažnost lidské zkušenosti a opírali se pouze o čisté uvažování. Odtud byl již jen krok ke statickému pohledu na svět. Tento krok eleaté také učinili a popřeli možnost jakéhokoliv pohybu.

Tento bezvýchodný paradox a rozpor dvou škol řešili atomisté tím, že své atomy prohlásili za neměnné a věčné, ale vztahy mezi nimi a způsoby jejich sdružování za neustále proměnné, ve stavu neustálé změny.

Velmi jasnou představu o struktuře hmoty měl zakladatel mechaniky Isaac Newton (1643 - 1727). Chápal, že čím je předmět menší, tím musí být také soudržnější: "Tak nejmenší z částic hmoty asi k sobě lnou s nejsilnější přitažlivostí a skládají větší částice se slabší soudržností; ty zase ve velkém počtu k sobě lnou a tvoří větší částice, jejichž soudržnost je ještě slabší - a tak dále v rozmanitém sledu, až posloupnost skončí největšími částicemi, na nichž závisejí chemické procesy a barvy přirozených těles a které svou soudržností vytvářejí tělesa znatelné velikosti." "Jsou tedy v přírodě činitelé schopní způsobovat vzájemnou přilnavost částic v tělesech pomocí silných interakcí. A je vypátrat je úkolem experimentální filozofie."

Představy o molekulární a atomární struktuře látek se upřesnily a vyhranily v pracích přírodovědců, jako byl R. Boyle, M.V. Lomonosov, A.L. Lavoisier, J. Dalton a další. Vývoj vyvrcholil periodickou soustavou prvků D.I. Mendělejeva.

Newton neznal molekuly, atomy a elementární částice, ale v podstatě je jeho názor platný i dnes. Dělení látek má své meze. Jakmile se dosáhne molekul a atomů, začne se hmota dalšímu dělení výrazně bránit, neboť veškerá soudržnost látek až do atomární úrovně je téměř výhradně elektrického původu. Každé těleso je složeno z molekul, každá molekula z atomů. Každý atom je je složen z kladně nabitých jader a záporně nabitých elektronů. Jádro obsahuje kladně nabité protony a elektricky neutrální neutrony. Oba celkové náboje jsou stejně velké, takže atom se jeví jako elektricky neutrální.

Dělení atomu znamená od sebe oddělit elektricky nabité části. Toho lze využít k dalšímu dělení hmoty. Elektricky nabitý objekt (například nějaký úlomek atomu - iont, atomové jádro, proton, elektron) lze urychlit v elektrickém poli a vrhnout jej proti jinému objektu podobného druhu. Prudkými srážkami lze tak hmotu štěpit na stále menší části.

Uměle vyvolané srážky iontů, atomových jader, protonů a elektronů mají ovšem mnohem zajímavější cíl, než pouhé rozbíjení hmoty. Jsou v podstatě jediným způsobem, jak lze tyto objekty studovat. Na cestě do mikrokosmu se setkáváme se stále menšími objekty, z nichž každý se zpočátku jeví jako jednoduchý a dále nedělitelný. Při podrobnějším pohledu za použití vyšší energie se však projeví jako složitý komplex menších objektů.

Zkoumané objekty se ostřelují rychlejšími a průraznějšími částicemi, urychlenými například tepelným pohybem, urychlovači iontů, jader nebo elementárních částic.

V 18.století chemie začala dělit molekuly na atomy a ty opět sdružovat v jiné molekuly. Později přírodovědci začali rozbíjet atom. Zbavovali jeho obal jednotlivých elektronů. V roce 1910 Ernest Rutherford zjistil, že téměř všechna hmota je soustředěna v jádře atomu. Vznikla fyzika atomu. Ale samo jádro začalo vykazovat strukturu. Vznikla jaderná fyzika. Studium částic, z nichž je jádro složeno, dalo vznik subnukleární fyzice - fyzice elementárních částic.

Počátky tohoto oboru lze klást do začátku 30.let 20.století, kdy se začaly odděleně studovat částice, z nichž je složen atom: proton, neutron a elektron. Po objevu neutronu v roce 1932 Jamesem Chadwickem (1891 - 1974) se zdálo, že problém hmoty je v podstatě rozřešen. Atom je složen z elektronů a jádra, které je složeno z protonů a neutronů. Zdálo se, že dávný sen řeckých filozofů o jednoduché stavbě veškeré hmoty se začíná naplňovat.

Začaly se objevoval nové, pro atom jakoby nepotřebné částice. Dokonce byly předpovídány teorií. Zpočátku jednotlivě, později po celých skupinách. Trojice elektron, neutron a proton, která tak dobře vysvětlovala strukturu atomu a atomového jádra, se ukázala z teoretického hlediska velmi neúplná. Ucelenost teoretického obrazu vyžadovala existenci dalších částic, které měly nejen neobvyklé, ale pro teorii i nepříjemné vlastnosti, neboť nutily fyziky k opuštění vžitých představ o světě. Připomeňme například pozitron, očekávaný od r.1928 a objevený r.1932, neutrino, předpovězené v r.1930 a objevené v r.1956, které je téměř nepozorovatelné, neboť prochází vrstvami o tloušťce několika tisíc zeměkoulí téměř bez překážek.

Fyzikové přijímali tyto objekty se smíšenými pocity. "Otec" neutrina, Wolfgang Pauli (1900 - 1958) se v dopise adresovaném účastníkům vědeckého setkání v Tubingen v prosinci r.1930 omlouvá, že je nucen takovou nepříjemnou částici postulovat. Zato Enrico Fermi (1901 - 1954) přijal jeho myšlenku s nadšením, rozvinul ji v samostatnou práci, ale tu zase redakce vědeckého časopisu Nature odmítla uveřejnit jako příliš abstraktní a nezajímavou pro čtenáře. Fyzikové stáli před vážným rozhodnutím. Buď bylo nutné opustit dosavadní vžité představy o světě, nebo bylo nutné zradit některý ze základních fyzikálních zákonů. Fyzika elementárních částic a její krátké dějiny jsou důkazem toho, jak klamné je bezvýhradně spoléhat na vžité návyky, které dávají člověku iracionální pocit jistoty.

Názor, že k vysvětlení struktury hmoty stačí trojice částic proton, neutron a elektron, se postupně stal neudržitelný. Ukazovalo se, že některá jádra vysílají dosud neznámé částice, které v nich nejsou obsaženy a rodí se až v okamžiku jejich vyslání.öDodnes jsou objevovány další subnukleární částice. Ze studia tří základních kamenů hmoty a částice elektromagnetického vlnění fotonuöse vyvinul rozsáhlý obor, který se dnes zabývá asi 300 obtížně postižitelných a identifikovatelných objektů. Jejich zkoumání spočívá v podstatě v tom, že se částice přimějí ke srážce a její výsledky se pak vyhodnocují.

Elementární částice se při srážce nerozbíjí. Na rozdíl od předmětů, s nimiž přicházíme denně do styku, jsou částice nesmírně stabilní vůči různým druhům zásahů, jako je urychlování, brzdění, nárazy. Srážka částice nejen nerozbíjí, ale naopak je tvoří, a to tím více, čím je srážka prudší. Vznik nárazem.

Začněme tedy studovat neobyčejné vlastnosti elementárních částic. Nejprve budeme stručně charakterizovat vlastnosti základních částic v atomu: elektronu, protonu a neutronu.

Elektrony jsou lehké záporně nabité objekty, které vytvářejí kolem těžkého kladně nabitého jádra elektronový obal. Elektronový obal má zásadní význam pro chemické vlastnosti atomu, protože určuje jeho vazebné schopnosti pro vytváření molekul. Hmotnost elektronu je 9,109.10^-31 kg a jeho záporný elektrický náboj je -1,602.10^-19 C. Počet elektronů určuje chemické vlastnosti atomu. V kovech se elektrony pohybují poměrně volně a protože jsou nositeli elektrického náboje, jsou schopny přenášet elektrický náboj z místa na místo, což se projevuje jako elektrická vodivost.

Proton je poměrně těžká částice s hmotností 1,67.10^-27 kg. Má kladný náboj, stejně velký jako má elektron. Proton a elektron se díky opačným elektrickým nábojům přitahují a jsou schopny vytvářet stabilní atom - atom vodíku.

Neutron je částice bez náboje, o necelé dvě promile těžší než proton.

Elektron a proton jsou částice stabilní. Jako volné částice existují po neomezeně dlouhou dobu. Stabilita těchto částic je základní podmínkou stability atomu a tedy i stability hmoty ve vesmíru. Je nutné připomenout, že v poslední době se vážně připouští možnost rozpadu protonu, ale průměrná doba rozpadu by měla přesahovat délku trvání našeho vesmíru.

Volný neutron se rozpadá asi po 15,25 minuty. Rozpadá se na tři stabilní částice, a to na proton, elektron a elektronové antineutrino.

Elementární částice lze klasifikovat podle nejrůznějších fyzikálních veličin, jako je hmotnost a elektrický náboj. Mnohem důležitější jsou však tzv. kvantová čísla, která nemají žádnou obdobu v makrosvětě: především spin, leptonové číslo, baryonové číslo a schopnost interakce. Každé kvantové číslo nějak vystihuje chování částic při jejich vzájemné interakci, tedy při jejich chování ve vzájemném působení.

Snaha o klasifikaci částic tedy vede k problému základních silových interakcí, které působí mezi částicemi a které jsou původci nejrozmanitějších vzájemných působení pozorovaných v přírodě.

Roku 1583 pozoroval Galileo Galilei (1564 - 1642) kývání svítilny zavěšené v klenbě jednoho kostela v Pise a snažil se zjistit, co určuje dobu potřebnou k tomu, aby svítilna přešla z jedné krajní polohy do druhé. Soustavným mnohaletým pozorováním a přemýšlením došel k závěru, že doba kyvu se při prodloužení délky kyvadla prodlužuje, ale při stejné délce kyvadla a různých hmotnostech kyvadla doba zůstává stejná. Při značném rozhoupání kyvadla se vzdálenost krajních poloh kyvadla poněkud zvětší, ale kyvadlo se pohybuje podstatně rychleji, takže doba je opět stejná.

Postupně se ukázalo, že doba kyvu závisí na další, do té doby neznámé veličině - na gravitačním zrychlení. Tato veličina určuje přitažlivou sílu v daném místě. Na Měsíci, kde je gravitační zrychlení menší než na Zemi, se bude kyvadlo kývat pomaleji. Současníci Galilea netušili, že toto chování kyvadla je projevem všeobecného gravitačního zákona, který zformuloval Isaac Newton (1643 - 1727).

Přibližně v téže době jako Galilei zkoumal chování kyvadla, zkoumali Tycho Brahe (1546 - 1601) a Johannes Kepler (1571 - 1630) v Praze zákony pohybu planet a shromažďovali údaje k formulaci téhož gravitačního zákona studiem zcela odlišných jevů, než studoval Galieo Galiei. Všeobecný gravitační zákon však na sebe nechal čekat ještě sto let. Některé společné rysy chování kyvadla a pohybu planet kolem Slunce se již tehdy daly tušit. V Keplerových zákonech o pohybu planet nenajdeme například závislost tvaru dráhy a oběžné doby na hmotnosti planety.

Všimněme si ještě třetího okruhu jevů, který se v Galileiho a Keplerově době zdál pohybu planet neméně vzdálený a přesto byl vysvětlen stejnými gravitačními silami.

Jde o pády těles k Zemi, let hozeného kamene, let střely z pušky, tedy volný pohyb těles v tíhovém poli Země. Pokud odhlédneme od účinků dalších sil (síla větru, tlak vzduchu, brzdící účinek odporu vzduchu), pak všechna tělesa jsou přitahována gravitační silou ke středu Země. Skutečnost, že pohyb planet kolem Slunce a pohyb Měsíce kolem Země jsou řízeny stejnou silou jako volný pohyb těles k zemskému povrchu, poznali přírodovědci až po ohromném úsilí a staletích přemýšlení. Projevy gravitační síly jsou různé stejně jako jsou různé tvary drah. Společné rysy oběhu planet, kývání kyvadla a pohybu těles k zemskému povrchu jsou skryty prvnímu pohledu.

Pomocí všeobecného gravitačního zákona, formulovaného Isaacem Newtonem, se podařilo popsat a vysvětlit řadu velmi rozdílných jevů jako projev jediné základní síly - gravitace. Gravitační síla působí v okolí každého tělesa a na všechna tělesa, která se v tomto okolí nacházejí. Každé těleso je tak zdrojem gravitační síly a zároveň objektem, na které síla působí. Síla mezi dvěma tělesy je přímo úměrná součinu jejich hmotností a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdálenosti. Každé těleso působí kolem sebe gravitační silou i v případě, že v jeho okolí žádná jiná tělesa nejsou. Tedy každé těleso je zdrojem gravitačního síly. Jestliže vezmene množinu bodů, v nichž je velikost gravitační síly stejná, získáme ekvipotenciální plochu. V každém bodu ekvipotenciální plochy lze určit směr největšího poklesu gravitační síly. Tedy síla gravitačního pole je určena nejen velikostí, ale také směrem svého největšího působení. Množina všech takových vektorů ve všech ekvipotenciálních plochách tvoří vektorové pole.

Matematickou teorií, která se mimo jiné zabývá vektorovými poli, je vektorová analýza. K jejímu rozvoji ale výrazně přispěla teorie elektromagnetického pole.

Uvažujme nyní elektricky nabitá tělesa. Jestliže jsou tato tělesa v klidu, mají elektrické síly velmi podobný průběh jako síly gravitační, ovšem s tím rozdílem, že elektrická síla je buď přitažlivá nebo odpudivá, podle toho, zda na sebe působí opačné nebo souhlasné elektrické náboje. Síla mezi dvěma elektricky nesouhlasně nabitými tělesy je přímo úměrná součinu velikostí jejich nábojů a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdálenosti.

Podobné je působení magnetických sil. Opět existují přitažlivé a odpudivé magnetické síly a zákon síly mezi dvěma tělesy je stejný jako pro síly elektrické. Je zde však jeden podstatný rozdíl: nepodařilo se nalézt izolovaný magnetický náboj (magnetický monopól). Nositelem elektrického náboje je elektron (pokud je záporný) nebo díra - chybějící elektron v atomu (pokud je kladný). Elektrická vodivost se pak popisuje jako proudění elektronů a děr. Nic obdobného u magnetických sil neexistuje.

Nejjednodušší konfigurace magnetického náboje je těsná dvojice magnetických nábojů (magnetický dipól). Toto je výrazná asymetrie mezi elektrickými a magnetickými silami.

Zásadní změna nastane, jestliže se elektricky nabitá tělesa vzájemně pohybují. Elektrické náboje začnou vytvářet nejen elektrické pole, ale také pole magnetické, které je tím silnější, čím rychleji se elektricky nabitá tělesa vzájemně pohybují. Jestliže pohyb ustane, zmizí magnetické pole a zůstane jen pole elektrické. Stejně je tomu i naopak. Pokud máme magnet v klidu, vytváří se kolem něj magnetické pole. Jestliže tento magnet uvedeme do pohybu, kromě magnetického pole vznikne i pole elektrické, takže pokud bude někde nablízku vodič, vznikne v tomto vodiči elektrický proud.

Největší pozornost budily elektrické a magnetické jevy a vztahy mezi nimi v 1.pol. 19.stol. Ve fyzikální literatuře se vedly ostré spory o interpretaci objevů Voltových, Ohmových, Ampérových, Oerstedových a Faradayových. Z českých fyziků do nich zasáhl nejvýrazněji profesor Univerzity Karlovy František A. Petřina (1799 - 1855). Množství experimentálních poznatků neustále narůstalo, ale vytvoření jednotného obrazu o elektrických a magnetických jevech bránily tehdejší představy o tom, jak probíhá působení elektrických a magnetických sil na dálku. Vládlo přesvědčení, že takové působení nastává okamžitě, v celém prostoru současně. Podle této představy bylo silové působení letící elektricky nabité kuličky v daném prostoru a čase dáno polohou kuličky v témže okamžiku. Ve skutečnosti se silové působení vůči letícímu náboji opožďuje.

V roce 1831 objevil Michael Faraday (1791 - 1867) elektromagnetickou indukci a ve snaze vysvětlit si nečekané vzájemné ovlivňování magnetů a elektrických vodičů vytvořil si vlastní, velmi konkrétní představy o silovém působení v prostředí mezi magnety a vodiči. Tím založil ve vývoji názorů o elektřině a magnetismu nový způsob myšlení, který umožnil Jamesi Clerkovi Maxwellovi (1831 - 1879) vytvořil jednotnou teorii elektrických a magnetických jevů. Podle Faradayových představ je elektromagne- tické působení mezi tělesy zprostředkováno silovým polem, které kolem sebe vytváří každý náboj a které existuje nezávisle na tom, zda jsou v okolí tohoto náboje jiná tělesa, na něž by náboj mohl působit (podobnou vlastnost jsme viděli u gravitačního pole). Toto elektromagnetické pole vyplňuje celý prostor.

Geniální Faradayovy představy jsou platné dodnes. Pojem pole se uplatňuje téměř v celé fyzice a vedl později k vytvoření matematického aparátu vektorové analýzy. Vektorová analýza definuje pojmy teorie pole jako jsou skalární pole (tím je například šíření tepla v tělese), vektorové pole (gravitační a elektromagnetické), siločáry a ekvipotenciální plochy, gradient vektorového pole (vektor největší změny skalárního pole), tok vektorového pole plochou, divergence vektorového pole (limita podílu toku vektorového pole uzavřenou plochou a objemu obklopeného touto plochou) atd.

Sám Faraday neměl dostatečné matematické vzdělání k tomu, aby své objevy formuloval matematickými rovnicemi. Tento obtížný úkol vyřešil James Clerk Maxwell v roce 1873. Maxwellovy rovnice se staly rozhodujícím krokem v chápání přírody člověkem. Rovnice nejen vysvětlily dosavadní poznatky, ale také předpověděly množství nových, které souvisejí s vysíláním elektromagnetických vln.

Experimentálně bylo zjištěno, že elektromagnetické vzruchy se šíří konečnou rychlostí. Jestliže umístíme do prostoru náboj, šíří se kolem něj elektrické pole. Pokud ovšem náboj náhle odstraníme, toto pole dále existuje a informace o jeho zániku se šíří konečnou rychlostí. Pole tedy může mít samostatnou existenci. Popsaný pokus je ovšem mnohem složitější. Odstraněním náboje jsme tímto nábojem pohybovali, proto se vytvoří i silné pole magnetické. Měnící se elektrické pole tedy indukuje pole magnetické a naopak, měnící se magnetické pole indukuje pole elektrické.

James Clerk Maxwell si položil otázku, zda takové pole může existovat i bez náboje. Jestliže elektrické pole indukuje magnetické pole a naopak, nemohou se tak obě pole vzájemně udržovat v existenci a šířit se volně prostorem? Maxwellovi se podařilo z rovnic takový proces matematicky odvodit. Tím dospěl k vysílání elektromagnetických vln. Jestliže v jednom místě prostoru budeme periodicky pohybovat elektrickým nábojem, je všemi směry vysíláno časově proměnné elektrické a magnetické pole. Toto pole v každém bodě prostoru způsobí vznik nového pole. Tímto způsobem se elektromagnetické vlny šíří prostorem. James Clerk Maxwell rovněž odvodil rychlost šíření pole prostorem. Tato rychlost je rovná rychlosti světla ve vakuu.

Odvození Maxwellových rovnic bylo významným krokem k jednotné teorii. Sjednotilo nejen nauku o elektřině a magnetismu, ale sjednotilo tyto dvě nauky s optikou. Elektromagnetická teorie světla objasnila množství zdánlivě nesouvisejících jevů optice, jako je odraz světla na předmětech, lom světla hranolem, proč světlo prochází sklem a neprochází kovem, proč zahřátá tělesa září vlastním světlem, proč ve dne svítí celá obloha a proč je modrá atd.

Vědci se začali zabývat vyrobením elektromagnetických vln. To se povedlo jako prvnímu Heinrichu Hertzovi (1857 - 1894). Dokázal, že střídavý elektrický proud ve vodiči vysílá elektro- magnetické vlny, které lze obdobným zařízením zachytit i ve značné vzdálenosti. Z hlediska současné techniky šlo tehdy o jeden z největších úspěchů vědy.

Objev elektromagnetických vln podmínil vytvoření jednotné teorie látky a záření, těles a vln, ikdyž ve velmi nenápadné podobě. Ze samotných Maxwellových rovnic plynulo, že elektromagnetické vlny jsou nositeli energie a jsou schopny tuto energii přenášet. Mají tedy vlastnosti, které se do té doby přisuzovaly pouze látkovému prostředí, tedy tělesům, kapalinám a plynům. Z rovnic dále vyplynulo, že elektromagnetické vlny mají další vlastnosti charakteristické pro hmotu: hybnost, setrvačnost a moment hybnosti. Tím se prokázalo, že vlny jsou hmotné povahy. Experimentálně tyto závěry potvrdil P.N. Lebeděv (1866 - 1912), když změřil tlak světla.

Ve 20.letech 20.století se ukázalo, že souvislost mezi elektromagnetickým polem a atomárními částicemi je dokonce těsnější a hlubší. Vlna se chová někdy jako částice a částice se někdy chová jako vlna.

Vytváření jednotných teorií látky a záření nás vede k zásadní otázce moderní fyziky: je možné mnohotvárné silové interakce vysvětlit jako různé projevy jakéhosi společného základu?

Ukázalo se, že gravitační a elektromagnetické síly nestačí k vysvětlení jevů, které nastávají u subnukleárních částic. Již počátkem 30.let 20.století bylo nutné přidat další dvě silové interakce: sílu, která drží pohromadě atomové jádro a sílu, která způsobuje radioaktivní rozpad beta. Obě síly se od sebe liší především svojí intenzitou, proto první byla nazvána silnou interakcí a druhá slabou interakcí. Při objasnění dějů v mikrokosmu obě tyto síly mají zásadní význam.

Silné a slabé interakci se proto budeme ještě velmi podrobně věnovat později.

- pokračování -

(c) 1997 Intellectronics

časopis o přírodě, vědě a civilizaci