Fyzika v slepých uličkách

V škole sa toho učíme veľmi veľa a často aj veľmi veľa zaujímavého. Vesmír sa rozpína, ľudia pochádzajú z Afriky, jadro atómu sa skladá z protónov a neutrónov, Cyril a Metod sa spájajú s rokom 863… V prírodných vedách je okrem prirodzenej otázky Ako to je? zaujímavá aj otázka Ako na to ľudia prišli? Odpovede sú zakódované v mnohých prekvapivých a čiastkových náznakoch, ktoré nám príroda ponúka, a preto nie je vždy jasné, ako informáciu použiť.

V tejto knižke sa pozrieme na niekoľko momentov z histórie fyziky, pri ktorých cesta k prírodným zákonom nebola ani náznakom priamočiara. Niekedy blúdili celé generácie, niekedy iba jeden človek. Niektoré blúdenia správne nasmerovala jedna konkrétna informácia, niekedy debata prebiehala desaťročia. Budeme svedkami mnohých z najvýznamnejších a najprekvapivejších momentov z histórie fyziky a na záver si povieme, ako v ďalších otázkach blúdime ešte aj v súčasnosti.

Existencia atómov

Richard Feynman (1918 – 1988), americký fyzik a držiteľ Nobelovej ceny z roku 1965, vo svojich prednáškach z fyziky píše: Keby pri nejakej katastrofe zanikli všetky vedecké poznatky a ďalším generáciám by mala zostať len jediná veta, ktoré tvrdenie by pri najmenšom počte slov obsahovalo najbohatšiu informáciu? Som presvedčený, že je to atómová hypotéza… Cieľom vedeckého bádania je čo najmenším počtom slov poskytnúť čo najviac informácií. Napríklad Newtonove pohybové zákony v troch vetách opisujú všetky možné mechanické deje. Stačí vedieť túto informáciu vhodne dešifrovať. Podľa Feynmana je vedomosť o existencii atómov vedou par excellence. Jediná veta Veci sa skladajú z atómov! dokáže vysvetliť množstvo inak ohromne tajomných fyzikálnych javov. Napríklad postavme pred seba dva rovnaké poháre: jeden s horúcim čajom, druhý so studenou vodou. Potom hoďme do každého tabletku šumivého celaskonu. Ak vieme, že svet sa skladá z atómov, to, čo uvidíme, sa dá vcelku priamočiaro pochopiť, ale bez tejto vedomosti len veľmi ťažko.
Preto sa v škole učíme, že hmota okolo nás nie je spojitá, ale je zložená z maličkých atómov: miniatúrnych guľôčok, ktoré sú očami, dokonca aj pomocou mikroskopu, neviditeľné. Asi nás neprekvapí, že tento poznatok naozaj nie je taký samozrejmý a odhaliť nespojitú štruktúru hmoty bolo veľmi ťažké. A aj to je pravdepodobne dôvodom Feynmanovho presvedčenia. Proces, ktorý sa začal pozorovaním anglického chemika začiatkom devätnásteho storočia, skončil sa až veľmi presným štúdiom Brownovho pohybu roku 1908.

Nečakané rozuzlenie

Veľké otázky si zaslúžia veľké odpovede a reálna existencia atómov nebola výnimkou. Pravda sa ukázala na strane atomistov, ale miesto, kde sa definitívne našla, by čakal málokto. Na povrchu malej kvapky vody pod mikroskopom.
Keď pod mikroskopom sledujeme kúsky peľového zrniečka alebo niečo podobne malé a ľahké, čo pláva v kvapaline, uvidíme, že to nestojí, ale náhodne poskakuje z miesta na miesto. Tento pohyb nesie meno škótskeho botanika Roberta Browna (1773 – 1858), ktorý ho roku 1827 ako prvý detailne študoval. Samotný efekt si ešte roku 1785 všimol holandský lekár Jan Ingenhousz (1730 – 1799) ako poskakovanie drobných čiastočiek uhoľného prachu na povrchu kvapiek etanolu, ale bol to Brown, kto mu venoval veľkú pozornosť. Myslel si totiž, že v pohybe kúskov peľových zrniečok objavil podstatu života a akúsi špecifickú energiu živých organizmov. Pri ďalšom štúdiu však zistil, že sa rovnako správajú akékoľvek malé čiastočky bez ohľadu na ich pôvod. Neskôr sa zistilo, že pohyb musí byť spôsobený niečím v kvapaline a nie je vlastnosťou častíc oddelene.
Tu prichádza na scénu Albert Einstein. Píše sa rok 1905, Einstein pracuje ako patentový úradník v švajčiarskom Berne. Je aj veľmi ambicióznym vedcom, ktorý má zacielené na tie najťažšie a najdôležitejšie otázky svojej doby. Vtedy išlo o rozuzlenie problému existencie atómov.
Už pred Einsteinom si viacero vedcov uvedomilo, že vysvetlenie Brownovho pohybu by bolo možné hľadať v neustálom bombardovaní drobného telesa molekulami kvapaliny, v ktorej sa nachádza. Nárazy nie sú rovnomerné a pre ich veľké množstvo je výsledná sila, ktorou nimi pôsobia na malé teleso, náhodná. Následkom je náhodné poskakovanie a menenie smeru, ktorým sa častica pohybuje.
Einstein si uvedomil, že v Brownovom pohybe existuje priestor na kvantitatívnu, presnú a overiteľnú predpoveď atómovej hypotézy. V jednom z článkov z dôležitého roku 1905 Einstein z predpokladov štatistickej fyziky a atómovej hypotézy presne odvodil priemernú vzdialenosť polôh častice po danom časovom intervale. Pohyb častice a jej posunutie sú náhodné, ale Einstein predpovedal, že priemerné posunutie častice bude úmerné odmocnine času, počas ktorého necháme časticu poskakovať. Vo svojej dizertačnej práci z toho istého roku dvomi rôznymi spôsobmi odvodil konštantu úmernosti v tomto vzťahu, ktorá okrem iného závisí aj od veľkosti molekúl kvapaliny.
Knihu vydalo Vydavateľstvo Matice slovenskej, s. r. o., pre Centrum vedecko-technických informácií SR v roku 2021.

Súťažná otázka

Ak nám do 31. júla 2025 pošlete správnu odpoveď na otázku:

Stretli sa Richard Feynman a Albert Einstein? Ak áno, kedy a kde?

zaradíme vás do žrebovania o knihu Juraja Tekela: Fyzika v slepých uličkách, ktorú pre Centrum vedecko-technických informácií SR vydalo Vydavateľstvo Matice slovenskej, s. r. o.
Svoje odpovede posielajte na adresu redakcie: odpovednik@quark.sk alebo Quark, Lamačská cesta 8A, 811 04 Bratislava 4.