Úvod do fyziky

Představuji si, že si nejprvotnější lidské bytosti, či dokonce jejich předchůdci, pokládaly otázky typu: „Proč tu jsem?“ „Jaká je podstata reality?“ „Proč je vesmír tak uspořádaný, jak je?“ Na všechny tyto otázky se snažíme odpovědět ve fyzice. Ve fyzice, kterou můžete vnímat, možná hned po matematice, jako jednu z „nejčistších“ přírodních věd. Takže máme tu matematiku, která je velmi čistá, a přímo na základech matematiky je postavená fyzika. A fyzika se opravdu snaží využívat matematiku, společně s nějakými základními idejemi, k vysvětlení jevů, a to všech jevů, ve vesmíru. A fyzikové budou ti první, kteří přiznají, že teprve začínají chápat podstatu reality, podstatu všeho kolem nás. Často si myslíme, že se fyzika věnuje jen okrajovým věcem, třeba kosmologickým jevům, nebo se jen snaží dostat rakety do vesmíru nebo zkoumá, jak se šíří vlny nebo jak stavět konstrukce. Ale fyzika je základem pro celou řadu dalších věd. Když si vezmeme chemii, která se víceméně zabývá jen interakcemi mezi atomy, tak tyto interakce jsou ve skutečnosti fyzikálními interakcemi. Takže chemie... chemie je vlastně založena na fyzice. A dokonce i když budeme uvažovat o sobě samých, našich tělech, dokonce i o našem vědomí, našich mozcích, všechno je to jen chemie a fyzika. Jsou to jen interakce mezi atomy, a to dokonce i u mechanických vlastností našich těl. Stejně tak biologie, všechno to, čím jsme, je založena na chemii. Takže dokonce i biologie je postavena na fyzikálních základech, které jsou přímo závislé na matematice, kterou se učíte po celý život a kterou se nikdy nepřestanete učit. Základní otázka, kterou už jste si možná kladli: „Proč se vlastně tu matiku učím?“ Zaprvé, protože je matematika krásná, a taky proto, že v té nejčistší podobě popisuje strukturu vesmíru. A budeme si toho všímat víc, víc a víc, jak se budeme věnovat fyzice. Všechny tyto komplexní jevy, které kolem sebe vidíme, ať už koukáme na galaxii nebo třeba na mořské vlny nebo klidně na biologické systémy; zjistíme, že ohromující množství z nich lze popsat pomocí vcelku elegantní matematiky, na které můžeme stavět a dále ji používat. Jednoduchá či elegantní matematika, například F = m.a, síla se rovná hmotnost krát zrychlení. Budeme mluvit o síle a zrychlení jako o vektorech. Budeme mluvit o dalších věcech, jako je třeba dráha. A zapíšu ji tady jako vektor. Taky se naučíme, co to jsou vektory a skaláry. d = v.t, dráha se rovná rychlost krát čas. Budeme se učit o zrychlení, které se rovná změně rychlosti v čase. A sice tu máme jen pár velmi jednoduchých vzorců, ale postupně půjdeme v dalších videích více do hloubky. Můžeme vysvětlit celou řadu složitých jevů. Je ale jedna věc, která se mi na fyzice vždycky líbila, a nemyslím si, že si to lidé uvědomují; když začnete poznávat fyziku a vidíte samé komplikované vzorce a různě komplikované problémy, je důležité si uvědomit, že všechny vycházejí z jistých základních idejí. Některé z nich jsem tady už zmínil. Budeme se třeba věnovat základům energie. Budeme zkoumat Newtonovy zákony. Budeme si vysvětlovat a probírat různé druhy sil a důvody jejich existence. Ve své podstatě se budeme snažit postihnout celou složitost vesmíru, budeme se snažit předpovědět, co se stane, na základě jednoduchých pojmů a představ. A o tomhle všem je fyzika. Fyzika byla lidstvem zkoumána od nepaměti. Jsem si jistý, že určitě nevíme, kdo byli první fyzici. Ale určitě někteří, kterým bychom mohli říkat „základní myslitelé fyziky“, budou tihle pánové. A to jsou ti, můžeme říct, jsou to nejvýznamnější myslitelé ve fyzice, ale určitě tohle není kompletní seznam. V první řadě bychom měli jmenovat Isaaca Newtona. Zvlášť kvůli tomu, že pokud začnete studovat fyziku, tak začnete chápat svět tak, jak ho chápal Newton. Chápal ho stylem: „Hele, víš, ony ty věci nepadaj' na zem jen proto, že to tak prostě je. Ona na ně působí síla a možná ta samá síla, která způsobuje, že sedím na židli a nespadnu, je ta samá, která udržuje Zemi na oběžné dráze kolem Slunce nebo Měsíc na oběžné dráze kolem Země.“ Formuloval gravitační zákon, Newtonovy pohybové zákony. A ty budeme zkoumat, jakmile se ponoříme do základů fyziky. A jak uvidíme, dokonce i klasická mechanika neboli newtonovská fyzika může vysvětlit celou řadu jevů s ohromující přesností. Ale jakmile se dostaneme do raného 20. století, fyzici se tak trochu zbláznili: začali se věnovat fyzice mikrosvěta, a tak tu máme Maxe Plancka, zakladatele kvantové mechaniky, anebo Alberta Einsteina, který se začal zabývat fyzikou ve vysokých rychlostech, rychlostí světla, přičemž zjistíme, že nic rychleji cestovat nemůže. Což nám možná poleze na mozek, když tu máme tyhle představy obecné a speciální relativity. A pak si začínáme uvědomovat, že vesmír je v určitém smyslu ještě bizarnější a záhadnější a více fascinující, než jsme si kdy představovali. Ale všechny teorie, i ty Maxe Plancka a Alberta Einsteina, jsou založeny na základních myšlenkách, které vyslovil Isaac Newton. A dokonce i lidé před ním. Takže pokud budete studovat fyziku... No, já jsem tak trochu „rádoby fyzik“. Vždycky jsem chtěl být fyzikem. Představoval jsem si, že... Vlastně všichni přemýšlíme, proč jsme tady. Jaká je podstata reality? Proč se věci dějí tak, jak se dějí? A všechny tyhle otázky se fyzika snaží zodpovědět. Takže před vaším vstupem do studia fyziky chci zmínit pár citátů těchto tří pánů. První dva budou od Isaaca Newtona. „Pravdu vždy najdeme v jednoduchosti, ne ve složitosti a zmatku věcí.“ A tohle bych chtěl zdůraznit, protože často ve vašem studiu nastane situace, kdy se budete muset naučit vzorce a slovíčka, ale pokud to děláte, jste jen na povrchu věcí. Ale pokud o těch věcech začnete skutečně přemýšlet, odkud ty věci přicházejí, přijdete na jednodušší a intuitivnější řešení. A tak se dostanete blíže k pravdě. Teď druhý citát od Isaaca Newtona: „Nevím, jak mě vnímá... Nevím, jak mě vnímá svět, ale sám sebe vidím jako chlapce, který si hraje na mořském pobřeží. Tu a tam se ten chlapec skloní a najde hladší oblázek či hezčí ulitu, jenže ten velký oceán pravdy leží přímo před ním nespatřený.“ Představuji si, že ačkoliv si myslíme, že toho víme hodně, neprozkoumali jsme ani zlomek toho, jaký vesmír doopravdy je. A dokonce i tak velký myslitel, jakým byl Isaac Newton, si to uvědomoval. „Já si tak jen jdu po pobřeží a vezmu si tam kamínek, ale je tu obrovský oceán, kterému ani trochu nerozumím.“ Můžete si představit i mimozemské civilizace, které jsou o tisíce let před námi, ať již úrovní vědy či technologie, nebo i celé miliony let. Jak asi vnímají realitu? Třeba nás vnímají jen jako mravence vzhledem k tomu, že jsme teprve na začátku své cesty do hloubky poznání okolního světa. Další citát je od Maxe Plancka: „Věci se změní, když změníte svůj pohled na ně.“ A tenhle považuji za hodně hluboký, protože je pravdivý. Když studujete fyziku, uvidíte, že většina toho, co považujeme za realitu, naše momentální poznání, je založeno na silách. Ale co vlastně znamenají? A dokonce i věci považované za pevné jsou na atomární úrovni složeny hlavně z prázdnoty. A že to je jen interakce sil, která nás mate a přesvědčuje nás o tom, že to, čeho se dotýkáme, je pevné, skutečné, hmatatelné. Uvědomíte si, že všechny hmotné objekty zas tak hmotné nejsou. Nakonec je celý svět vlastně jen myšlenkový model, který máme v hlavě. Do jisté míry je to jen iluze, kterou naše mysl vytváří, abychom se v ní mohli pohybovat. A jsme teprve na počátku jejího pochopení. A v neposlední řadě... Jsou tu samozřejmě tuny skvělých citátů různých lidí, ale hlavně Alberta Einsteina. „Nejkrásnější pocit, který můžeme zažít, je ‚Neznámo‘. Tahle základní emoce, která stojí u kolébky pravého umění a pravé vědy.“ A to je to, co chci, abyste si i vy vzali k srdci ve svém studiu fyziky. Budou chvíle, kdy budeme vytvářet nástroje. Co je to vektor? Co je to skalár? Zabředneme do matematiky a budeme dokazovat vzorce. To jsou nástroje, ale budeme se pokoušet pochopit základní jevy. Jak vesmír skutečně funguje? A když o nich začneme přemýšlet a nebude z toho mít husí kůži a neucítíte, že vesmír je záhadnější, než jste si mysleli, pak nestudujete fyziku tak, jak byste ji studovat měli.