Načítám

Transkript

V tomto videu vám chci dát přehled 4 základních sil existujících ve vesmíru. Začnu s gravitací. Možná některé z vás překvapí, že gravitace je vlastně nejslabší ze čtyř základních sil. Je to překvapivé, protože nás drží přilepené, vlastně ne přilepené, ale brání nám, abychom odlétli z planety, udržuje Měsíc na oběžné dráze kolem Země, Zemi na oběžné dráze kolem Slunce a Slunce na oběžné dráze kolem středu galaxie Mléčné dráhy. Je tedy trochu překvapivé, že ve skutečnosti se jedná o nejslabší ze sil. Začne to dávat smysl, pokud se zamyslíte nad věcmi mimo měřítko člověka nebo molekul nebo atomů. Dokonce i v měřítku lidských bytostí. Vy a váš monitor máte mezi sebou nějakou gravitační přitažlivost, ale necítíte ji. Váš mobilní telefon a peněženka se také gravitací přitahují, ale nevnímáme, že by se přitahovaly, podobně jako dva magnety by se přitahovaly nebo odpuzovaly. Pokud se podíváme na menší měřítko, zjistíme, že na gravitaci záleží ještě méně. V chemii o gravitaci ani nemluvíme, ačkoli je přítomna. V těchto měřítkách ostatní síly opravdu začínají přebírat kontrolu. Takže gravitace je nejslabší. Posuneme-li se trochu dále, dostaneme se – tohle je asi nejtěžší na představení, přinejmenším pro mě je nejsložitější – k slabé jaderné síle, někdy nazývané slabá interakce, která je zodpovědná za rozpad radioaktivních prvků. Konkrétně radioaktivní rozpad beta minus a beta plus. Abych vám dal příklad slabé interakce: Kdybych měl cesium 137, 137 znamená, že má 137 nukleonů, nukleon je buď proton, nebo neutron. Když sečtete protony a neutrony v jádře atomu cesia, dostanete 137. To, že se jedná o cesium, poznáme podle přesně 55 protonů. Slabá interakce je odpovědná za přeměnu jednoho z jeho neutronů. V podstatě se jeden z kvarků přetočí a tím se neutron změní na proton. Nebudu zabíhat do detailů o tom, co je kvark. Všechna ta matematika může být pěkně ošklivá. Místo toho vám chci dát příklad, co slabá interakce dělá. Takže jeden z těchto neutronů se změní v proton, budeme mít jeden proton navíc, ale zůstane nám stejný celkový počet nukleonů, místo neutronu tu máme navíc proton a najednou máme jiný atom, nyní je to baryum. Během přetočení kvarku dojde navíc k vyzáření elektronu a elektronové antineutrino. Nebudu tu zabíhat do detailů o elektronových antineutrinech, jsou to základní částice. Tohle je slabá interakce, není to pro nás nic očividného, nejsou to jen tyhle přitahující se a odpuzující se běžné věci, jak si to představujeme u ostatních sil. Nyní další silnější síla... Jen abyste získali přehled o tom, jak slabá je gravitace v porovnání se slabou interakcí: Slabá interakce je 10^25krát silnější než gravitace. Možná vás napadlo: pokud je tak silná, jak je možné, že nepůsobí na planety nebo mezi námi a Zemí, proč nepůsobí přes mezigalaktické vzdálenosti, tak jako gravitace? Důvod je, že slabá interakce působí na velmi malé vzdálenosti, proto může být o hodně silnější než gravitace. Působí ale jen v rozsahu menším než atomy, takže na větší vzdálenosti přestane působit jako síla a ovlivňovat částice. A teď další síla v pořadí. Tu známe o něco lépe. V podstatě dominuje většině chemie, se kterou se běžně setkáváme, a elektromagnetismu, se kterým se setkáváme. Je to elektromagnetická síla. A jen pro představu: tahle je 10^36krát silnější než gravitace. Takže překoná i slabou sílu, je 10^12krát silnější než slabá síla. Mluvíme tu o obrovských číslech, buď tohle v poměru k tomuto, nebo tohle v poměru ke gravitaci. Mohli byste se zeptat: „Proč elektromagnetická síla, která je neuvěřitelně silná, nepůsobí přes makroskopické vzdálenosti jako gravitace?“ Zapišme to: makroskopické vzdálenosti. Proč nepůsobí přes makroskopické vzdálenosti? A ve skutečnosti není nic, co by elektromagnetické síle bránilo. Ve skutečnosti působí přes rozsáhlé vzdálenosti. Realita je taková, že ve skutečnosti nemáte takovou koncentraci Coulombových nábojů nebo magnetismu, jako máte u hmoty. Takže hmota, jelikož má tak velkou koncentraci, může působit přes obrovské vzdálenosti, přestože je mnohem slabší než elektromagnetická síla. Elektromagnetická síla, protože je jak přitažlivá, tak odpudivá, má tendenci se sama vyrovnat, takže nenastávají tyhle obrovské koncentrace náboje. Možná vás zajímá jiná věc: „Proč se nazývá elektromagnetická síla?“ V našem každodenním životě se můžeme setkat s Coulombovou silou, neboli s elektrostatickou silou, která nám je známá. Kladné náboje, nebo vlastně shodné náboje, se odpuzují. Kdyby oba byly záporné, stala by se stejná věc. Rozdílné náboje se přitahují. Tohle už jsme viděli, tohle je Coulombova síla neboli elektrostatická síla, a v druhé části slova „elektromagnetická“ máme „magnetickou“ složku. A magnety, se kterými jste si hráli na ledničce doma: Pokud máte stejné strany magnetu, budou se odpuzovat, pokud máte dvě opačné části, tak se budou přitahovat. Tak proč se tomu říká jedna síla? Říká se tomu jedna síla, nebudu zabíhat do detailů, říká se tomu jedna síla, protože elektrostatická a magnetická síla jsou jedna a ta samá věc, na kterou se ovšem díváme z jiného úhlu pohledu, nebudu zabíhat do detailů, ale jen abyste věděli, že jsou propojené. V dalším videu se budu zabývat detaily toho, jak jsou propojeny. Je to zjevnější, když se hýbou, když se náboje hýbou v relativistických rámcích a… Nebudu zabíhat do detailů. Jen pamatujte na to, že jsou ve skutečnosti stejné, ale je na ně pohlíženo z různých perspektiv. Ta nejsilnější ze sil je zřejmě nejlépe pojmenovaná, říká se jí silná jaderná síla. Přestože jste se s tím asi zatím v chemii nepotkali, je v chemii velmi často využívána, protože, když se učíte o atomech… Nakreslím tady atom helia. Atom helia má ve svém jádře dva protony a také dva neutrony a také má dva elektrony, které kolem něj obíhají. Takže má elektrony, které bych mohl nakreslit mnohem menší, ale nebudu se snažit kreslit to v poměru, prostě má dva elektrony, které někde plují. A mohla a nemusela vás napadnout otázka, když jste poprvé viděli tento model atomu: „Rozumím, proč jsou elektrony přitahovány k jádru. Mají negativní Coulombův náboj, jádro má pozitivní Coulombův náboj...“ Ale co není zas tak jasné, a to, co vám v hodinách chemie nevysvětlí, je: Tyto pozitivní náboje jsou hned vedle sebe! Pokud by elektromagnetická síla byla jediná síla, která tady hraje roli, pokud by působila jenom Coulombova síla, pak by tyhle protony od sebe utíkaly, odpuzovaly by se. A tak jediný důvod, proč jsou schopny být vedle sebe, je, že na ně působí silnější síla, než je síla elektromagnetická, která působí na tyto velmi malé vzdálenosti. Takže pokud dáte tyhle dva protony k sobě dostatečně blízko – silná jaderná síla působí pouze na velmi maličké vzdálenosti, subatomické, nebo bych měl říct subnukleové, vzdálenosti –, pak začne působit silná interakce, která udržuje tyto náboje spolu. A ještě jednou, jen ať to víme, že v poměru ke gravitaci je 10^38krát větší neboli je asi 100krát silnější než elektromagnetická síla. Takže důvod, proč nevidíte silnou jadernou sílu, která je nejsilnější ze všech sil, nebo nevidíte slabou jadernou sílu, proč nepůsobí ve větším měřítku, je ten, že jejich síla zmizí opravdu rychle. I když se podíváme na velký poloměr jádra atomu, síla začíná mizet, hlavně síla silné jaderné síly. Důvod, proč nevidíte elektromagnetickou sílu působit na velké vzdálenosti, i když teoreticky můžete, stejně jako u gravitace, je ten, že nevidíte koncentraci nábojů, tak jak vidíte koncentraci hmoty ve vesmíru, protože koncentrace nábojů se vykompenzuje, začnou se vyrovnávat. Jestliže máme obrovský pozitivní náboj zde a obrovský negativní náboj tady, budou se přitahovat a pak se nakonec stanou jednou velkou neutrální koulí, a když už jsou v té neutrální kouli, už nebudou reagovat s ničím jiným. U gravitace se hmoty přitahují, pak máme hmotu, která ještě lépe přitahuje jiné hmoty, a tak neustále k sobě přitahuje věci. Takže je to něco, jako když se valí koule sněhu, proto může gravitace působit na některé z těchto obrovských objektů ve vesmíru a vesmír samotný.