Astrofyzika I: Počátky astrofyziky

Vesmír. Co je vesmír? Je tu věčně nebo má někde v historii počátek? Je nekonečný nebo konečný? Má hranice nebo je bez hranic? Jestli má hranici, co je za ní?  Jestli má počátek a střed, kde leží? Tyto otázky trápí lidstvo od nepaměti a napadají i každého z nás, když se někdy v noci zahledíme k černé a na první pohled takřka prázdné obloze. Jen tu a tam vidíme okem svíticí body, kterým říkáme hvězdy. Ale proč vůbec svítí a kde se tam vzaly? Na tyto ale i jiné otázky se pokusíme nalézt odpovědi.

Je důležité si uvědomit, že nechceme někomu říkat, že tyto odpovědi jsou ty jediné správné. Jsou však tím nejreálnějším a dosud nejlepším vysvětlením, které lidstvo má. Nebudeme se zde nikterak zaobírat otázkou víry v Boha. K popisu přírody a vesmíru budeme používat fyziku a její aparát matematiku. Ta se ze zkušenosti ukázala jako nejsilnější při popisu a předpovídání jevů, které se ve vesmíru dějí. V prvním díle seriálu o astrofyzice se vrátíme na počátky moderní fyziky, bez kterých bychom nemohli vystavět konzistentní teorii o vzniku a vývoji vesmíru.

Za počátek vědecké fyziky můžeme považovat 17. století. Přičinil se o to zejména Isaac Newton. Jistě všichni známe jeho tři zákony síly ze základní školy. Je důležité si uvědomit, že hlavně druhý zákon byl vlastně zákonem pohybu tělesa. Newton byl i vynikajícím matematikem a jeho kniha Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, vydaná v roce 1687, je považována za nejdůležitější knihy v historii vědy. Pomocí diferenciálního počtu lze druhý pohybový zákon zapsat jako

kde na levé straně vystupuje časová změna hybnosti (p=mv) a na pravé straně je výslednice sil působících na dané těleso. Tato výslednice je dána vektorovým součtem všech elementárních sil. Tyto síly byly nejčastěji určovány empiricky (z pozorování). A právě zde byl velký problém. Dodnes nikdo neumí udělat přesnou definici síly. Proto bylo časem potřeba vyvinout novější a lepší teorie, které již nepotřebovaly pojem síla. Ovšem v době klasické fyziky byl tento Newtonův popis fundamentální a skvěle popisoval jevy do té doby neznámé.

Newton také dokázal uhádnout zákon o gravitačním sile. Tuto interakci (silové působení dvou těles), která se jevila vždy jako přitažlivá a měla nekonečný dosah, můžeme popsat takto

kde G dnes nazýváme gravitační konstanta, M1,2 jsou hmotnosti daných těles a R je jejich vzájemná vzdálenost těžišť. Uvědomme si, že tato hmotnost tělesa a hmotnost v pohybovém zákoně mají jiný fyzikální význam. O hmotnosti v pohybovém zákonu se často hovoří jako o setrvačné hmotnosti, naopak v gravitačním zákoně jako o hmotnosti gravitační. Jejich hodnoty se prakticky rovnaly, ale fyzikální vysvětlení bylo nedostatečné.

Dalším důležitým odvětvím klasické fyziky byla elektřina a magnetismus. Ta byla podobně jako gravitační interakce popsána Coulombovým zákonem pro elektrickou interakci a Ampérovým spolu s Biot-Savartovým zákonem pro magnetickou interakci. Již v roce 1864 James Clerk Maxwell obě tyto interakce správně popsal pomocí jedné teorie elektrodynamiky, která obsahovala dvě vektorové a dvě skalární rovnice. Tyto Maxwellovy rovnice obsahují pouze intenzity a indukce daných interakcí a konstanty definující prostředí, ve kterém k interakci dochází. Pomocí dnešní matematiky je můžeme zapsat jako
Tyto rovnice dají velmi elegantním způsobem odpověď na otázku, co je vlastně světlo. Při řešení ve vakuu dostaneme, že světlo je elektromagnetické vlnění, které má fázovou rychlost rovnou

Do té doby byly známé pouze kmity a vlnění nějakého prostředí (vlny na vodě, zvuk, pružiny,…). Zde však byla otázka, co se vlní zde, když jde o řešení pro vakuum? Sám Maxwell proto zavedl pojem Éter. Šlo o fiktivní pole, které vyplňovalo celý vesmír a bylo statické a světlo se v něm pohybovalo vypočítanou rychlostí.

Na konci 19. století se zdálo, že všechny fyzikální jevy jsou prakticky vyřešené. Thomsonem byl objeven elektron pro teorii o pundinkovém modelu atomu, dále byly nalezeny Hamiltonovy kanonické rovnice pro pohyb tělesa v teoretické mechanice. Byla tu Newtonova teorie gravitace, která skvěle vysvětlila Keplerovy zákony a Maxwellova teorie elektrodynamiky včetně vysvětlení pojmu a jevů se světlem.  Zbývalo jen vysvětlit a provést dva pokusy.

Tím prvním pokusem byla závislost intenzity záření na vlnové délce pro různé teploty absolutně černého tělesa (viz graf).

Pojem absolutně černého tělesa zavedl v roce 1862 Gustav Kirchhoff. Jedná se o těleso, které veškeré dopadající záření všech vlnových délek pohltí nebo naopak vyzáří. Z klasické teorie odvodil tuto závislost Rayleigh a Jeans. Ta je však zcela v rozporu s experimentem a dobře popisuje pouze vyšší vlnové délky, ale například v UV oblasti naprosto selhává (na grafu černá křivka). To je označováno jako ultrafialová katastrofa. Fungoval zde pouze empiricky zjištěný Wienův posunovací zákon, který udává vlnovou délku maximální hodnoty intenzity v závislosti na teplotě T zářícího tělesa

kde b je konstanta rovna přibližně 0,0029. Teoretickou shodu s experimentem nalezl až Max Karl Ernst Ludwig Planck v roce 1900, který musel předpokládat, že energie nemůže nabývat libovolných hodnot, ale musí být násobkem tzv. Planckovy konstanty. Dále ze z tohoto předpokladu vyvinula obrovská vědecká disciplína tzv. kvantová fyzika.

Druhým pokusem bylo změření rychlosti světla v různých vztažných soustavách. Tento pokus provedl Albert Abraham Michelson. Měřil rychlost světla od Slunce, když se Země pohybovala ve směru a proti směru záření. Zjistil velmi překvapující věc. Světlo se pohybuje ve všech soustavách stejnou rychlostí. Tento předpoklad pak v roce 1905 vedl Alberta Einsteina k publikování speciální teorie relativity a o jedenáct let později k obecné teorii relativity. Ta se stala novou a přesnou teorií gravitace.

Obě tyto teorie jsou základem k dnešnímu popisu vesmíru a otevřely dveře k nové vědecké a velmi zajímavé disciplíně tzv. astrofyzice.

jméno (povinné)

e-mail (nebude zveřejněn) (povinné)

web