Co je to Gravitace?
Všichni jsme obeznámeni s gravitací jako s "důvodem, proč věci padají", ale gravitace je mnohem, mnohem více než to. Gravitace je přitažlivá síla s nekonečným dosahem mezi všemi hmotnými objekty: drží nás, abychom nespadli ze Země, drží Zemi na oběžné dráze okolo Slunce a způsobila vznik samotného Slunce před 4,5 miliardami let! Je úžasné uvědomit si, že každá hmotná věc přitahuje každou další ve vesmíru - takže třeba váš pes, Země a černá díra v galaxii Andromeda 2,5 milionu světelných let jsou všichni k vám gravitačně přitahováni, a vy k nim.

V 17. stol., Isaac Newton objevil, že síla gravitačního působení se snižuje s druhou mocninou vzdálenosti mezi dvěma objekty - takže když jste dvakrát tak daleko, gravitace je jenom čtvrtinová! Taky zjistil, že síla gravitačního působení je přímo úměrná hmotnosti dotyčných dvou předmětů: čím hmotnější je předmět, tím silnější je gravitační síla. Proto cítíme jak Země tlačí na nás, ale už si tolik nevšimneme přitažlivosti Měsíce - je menší a dál! (Přesto ale může způsobit tzv. slapové jevy!) A když jsem řekl, že gravitace je přitažlivá síla mezi objekty s hmotností, lhal jsem. Chtěl jsem říct: objekty s energií. Protože kromě hmotných předmětů, gravitace také přitahuje světlo a další nehmotné (ale energetické) částice, takže foton světla může být trochu ohnut když prochází kolem Slunce, nebo být úplně uvězněn černou dírou. Takže, pořád vám nepřijde hmota přitažlivá?

Co je Temná hmota?
Měli jste někdy pocit, že tam venku je něco většího, něco, co nemůžete vidět? No, je - jmenuje se to temná hmota. Temná hmota je rozprostřena vesmírem, zalévá Mléčnou dráhu a všechny další galaxie. Je čtyřikrát běžnější než obyčejná viditelná hmota, přesto jsme ji nikdy neviděli ani přímo nepozorovali! Tak jak víme že tam je? Kvůli gravitaci. Galaxie je jako velký kolotoč, na kterém se točí všechy galaxie. Aby na něm zůstala, každá hvězda se musí pevně držet (tady přichází na scénu gravitace), jinak by z něj vyletěla do vesmíru.

Problémem je, že gravitační síla všech hvězd, které vidíme, není dost silná na to, aby udržela galaxie pohromadě - všechny hvězdy by měly vylítavat z kolotoče! To se ale neděje; jako by je držel nějaký neviditelný provaz. Fyzikové si myslí, že tím provazem je gravitační síla něčeho, co nevidíme - temná hmota. A jak známe rychlosti hvězd ve vzdálených galaxiích? Dopplerův efekt (to je proč se policejnímu houkání snižuje výška tónu když auto projíždí) funguje i pro světlo - takhle vás policejní radar přistihne překračovat rychlost, a takhle astronomové měří rotaci galaxií. Takže vlastně používáme co vidíme abychom věděli o tom, co nevidíme.

Co je částicová dualita?
Částicové chování vidíme kolem sebe každý den: pustímě balón na zem a následuje jedinou trasu, necháme žirafu zaparkovanou na ulici a když se vrátíme, pořád tam je, prostě jedna žirafa. A vidíme i vlnové chování! Zatroubíme a vlny se šíří vzduchem k uším všech okolo. Nebo řídíme loď a pozorujeme jak se vodní vlny šíří po hladině. Ale když mluvíme o fyzice malých věcí, vidíme vlnovo-částicovou dualitu. Někdy se velmi malé věci (třeba elektrony a protony) chovají jako částice, někdy jako vlny! Nemůžou se rozhodnout!

Například když vypustíme elektron, pocestuje místností jako vlna, ale když narazí na stěnu, narazí pouze na jedno místo - no, nakonec jsme začali s jedním elektronem! Takže, co kdyby měl zvuk vlnově-částicovou dualitu? Když byste zařvali, vlny by se šířili ven ve všech směrech, ale pouze jedna osoba by slyšela, co říkáte! Nebo kdybyste řídili vaši loď vodou, vlny by narazily na břeh na jediném místě! To by pak surfing byla pěkná nuda!

Částicově-vlnová dualita
In the last video, I introduced the idea that really small things act sometimes like waves, and sometimes like particles. So how can we actually picture the wave-particle duality of, say, an electron? Well, imagine our electron is a speck of dust in a raindrop. We know pretty well where the speck is, at first. But when the drop hits the ground, it'll spread out like a wave - and the speck of dust will be somewhere in that wave. So the speck (our electron) is guided by the wave - but there's still only one speck, and if you actually look for it, you'll only find it in one place.

The wave will also tell you how likely you are to find the speck at any one point – if the drop splits in two, you're more likely to find the speck wherever there's more water! And that's pretty much how the wave-particle duality of quantum mechanics works: each particle is guided by a wave that determines the chances it'll be in a certain place or state. Easy, right? The hard part is figuring out the movement of the waves!

Jak funguje Slunce?
Věděli jste, že kdyby bylo Slunce poháněno spalováním, řekněme, benzinem nebo dřevem, vydrželo by hořet jen pár tisíciletí?Takže, jakto, že tu je i po 4.5 miliardách let? Fyzika. Slunce je jako obří ponorka... Na nebi. Je to tak - je poháneno jadernými reakcemi které slučují atomy vodílu do helia a dalších těžších prvků, což uvolňuje obrovské množství energie. Takto Slunce pomalu přeměňuje svoji hmotnost na energii - do podoby slunečního světla!

A má víc než dost paliva, aby vydrželo dalších pár miliard let. Ale nukleární fúze není procházka parkem - na Zemi bychom potřebovali zahřát vodík na stonásobek teploty Slunce, abychom dostali fúzní reakci. Jak to Slunce dělá? Kvantové tunelování. Je malá šance, že atom vodíku, i když nejsou dostatečně zahřáté pro fúzi, se stejně sloučí. A Slunce je TAK veliké a má tolik vodíku, že tyto malé šance se dějí pořád a to drží Slunce plné energie! Takže až zítra vysvitne Slunce, poděkujte kvantové mechanice.

Co je Princip neurčitosti?
Quantum mechanics is weird, right? But did you know that some of its supposed peculiarities are not unique to quantum physics but are just properties of waves in general? Take the uncertainty principle - it says that the better we know where a particle is, the less we know about how fast it's going. There's a limit to how much we can know! But this isn't just quantum weirdness - it happens all the time with normal everyday waves! Remember that the frequency of a wave is how close the wave crests are to each other - a low frequency wave doesn't have nearly as much oomph as a high frequency one!

And the position of a wave is… well, where the wave is… mostly. So where exactly is a wave? It's spread out everywhere, right? Ok, but for a wave pulse it's pretty easy to see where the wave is. So now that we know where the pulse is, what's it's frequency? Well, a localized pulse doesn't really "wave", so we can't measure the frequency of its crests! And that's the uncertainty principle in a nutshell - you can either know where a wave is or where it's going, but not both at the same time!

Co je to oheň?
Víme, že oheň je výsledkem spalování organického materiálu a vzduchu, ale přesto - nepřemýšlíš někdy nad tím, co je oheň? Proč jsou plameny plynu modré a plameny dřeva oranžové? A proč se plameny pohybují tak podivuhodným způsobem? Chemie nám řekne recept pro spalování, ale světelná show, to je vše fyzika. Když plamen hoří čistě (jako u plynu, opalovací lampy, nebo knotu svíčky), teplo excituje molekuly a ty následné vydávají světlo (většinou světlemodré) z atomových přechodů. To je kvantová mechanika!

Když ale palivo není tak čisté nebo neshoří úplně (jako u dřeva, uhlíků, nebo na vrcholu svíčky), tak tam je nějaké modré světlo, ale vy ho nevidíte, protože je přebito světlem všech částic sazí a kouře - září do červena! Tak proč horké předměty září? Thermodynamika. Podle procesu zvaného"záření černého tělesa" všechny předměty září barvou závislou na jejich teplotě. Důvodem, proč nevidíte své přátele zářit, je, že my jsme příliš studení na to, abychom zářili viditelným světlem - záříme infračerveně.

Ale láva, horký kus železa, nebo saze jsou všechny dost horké, aby zářily známým červeno-oranžovým světlem. A proč jsou všechny plameny tvaru hadích jazyků šlehajících vzhůru? Gravitace! Přitažlivost Země nutí horký vzduch stoupat a toto proudění tvaruje plameny do jejich známé podoby. Pokud zapálíš sirku v nula G, plamen se rozpíná jako balón - není tam nic, co by mu řeklo, kudy má jít, tak jde všemi směry!

Nekonečné řady
Proběhla diskuse o videu, ve kterém jsem tvrdil, že 1+2+4+8+16 a tak dále je rovno -1 - zjevně jsem na cestě do matematické věznice. Ale sčítání divergentních řad je vlastně staré matematické téma, a hlavně, je velmi důležité pro fyziku! Ve fyzice je hodně těžkých problémů, ke kterým nedokážeme najít celou odpověď - ale můžeme najít odpověď na zjednodušenou verzi problému, a pak ji upravovat a upravovat, až se dostaneme velmi blízko skutečné odpovědi. Třeba: umíme aproximovat tuto hyperbolu tak, že začneme s přímkou, přidáme křivku, zkroutíme a tak dál...

Ale to funguje jenom pro malou část této křivky! Mimo tuto "oblast konvergence" jsme úplně mimo! OK, zpátky k fyzice - některé problémy, jako třeba zjišťování, jak se elektrony rozptylují v teorii kvantového pole, je velmi těžké vyřešit! Ale my víme, že opověď tam někde je, protože jsme udělali experimenty a vidíme, žese něco děje. Tak na to jdeme zase krok po kroku - ale teď se naše odhady zlepšují, upravujeme až do nekonečna! Co se stalo špatně? Jsme mimo "oblast konvergence".

Ale naštěstí, vše není ztraceno! Protože, stejně jako řada 1+2+4+8+16 atd. obsahuje dost informací, abychom věděli, že opravdu znamená -1, fyzikové používají chytré techniky jak vyhrabat odpověď z nekonečna. Například, vypočítali veličiny, jako třeba velikost elektromagnetické síly, do neuvěřitelných detailů - a výpočty souhlasí s experimenty! Toto je jeden z nejpřesnějších výsledků veškeré vědy - a v tom tkví síla zkroceného nekonečna.

Schrödingerova kočka
To by nebyl YouTube kanál bez kočičího videa - takže vám nyní představuji: Schrodingerovu kočku. Jsem si jist, že jste slyšeli nějakou verzi tohoto známého myšleného pokusu: strčíte kočku do bunkru s nějakým nestabilním střelným prachem, který s 50% pravděpodobností za minutu vybouchne a s 50% pravděpodobností neudělá nic. (Střelný prach je Einsteinova verze - Schrodinger preferovoval jedovatý plyn.) Dokud se nepodíváme do bunkru, nevíme, jestli je kočka živá nebo mrtvá a když se podíváme, je buď jedno nebo druhé.

Když ale zopakujeme experiment dostatečněkrát, s dostatečným množstvím koček, bunkrů a střelného prachu, zjistíme, že v půlce případů kočička přežije, v té druhé letí do nebíčka. Kvantově mechanická interpretace je, že než se podíváme, kočka je v superpozici - je zároveň mrtvá I živá - a naše rozhodnutí podívat se mění rozhodnutí přírody. Takže jí vlastně zabije naše zvědavost. Ale z pohledu kočky? No, ta buď vidí střelný prach vybuchnout, nebo ne - takže uvnitř bunkru máme vlastně dvě možnosti: "prach vybuchnul a kočka ho viděla vybuchnout" nebo "prach nevybuchnul a kočka ho neviděla vybuchnout".

Není tu možnost "prach vybuchnul a kočka ho neviděla vybuchnout" - takže realita kočky je spojena s výsledkem experimentu! A je to pozorování experimentu, co nutí přírodu "přiklonit se" k jedné možnosti nebo druhé. Ale my jsme také jako ta kočka - buď kočka zemře a vidíme ji zemřít, nebo žije a vidíme ji živou - takže kdo pozoruje nás, aby přinutil přírodu přiklonit se k jedné realitě? Nebo se obě možnosti dějí paralelně v multivesmíru? Toto přiklánění se k jedné skutečnosti je jedna z největších nezodpovězených otázek kvantové fyziky. Tak košiško, můšeš mi odpovědět ploším?

Nobelova cena v roce 2011 - Temná energie podle Sen Caroll
You have known for a long time that the universe is expanding. If you look at distant galaxies, they are moving away from us, And the more distant galaxies are moving faster. So really, it’s not really an explosion of galaxies away from us; All galaxies are moving away from all the other galaxies. Space itself is getting bigger. But you would expect that the expansion of the universe is something that will slow down. These galaxies have gravity and they attract each other.

So you would expect that the expansion of the universe will diminish with time. So it was a big surprise in 1998 when we realized that the galaxies were actually speeding up. If you look at one galaxy, non-only it is moving away from us, But tomorrow it will be moving away from us faster. This is what we call the acceleration of the universe. But we are not completely shocked, We have a good theoretical model handed down to us by Einstein. The idea that even empty space has energy, what we call vacuum energy or dark energy.

And this vacuum energy pushes space itself and causes distant galaxies to move away from us Faster and faster. That is where the acceleration comes from. So theoretical cosmologists are trying to understand what could be going on. Is it really vacuum energy? Is some variation of that? Or is it even a modification of Einstein’s general relativity, our theory of gravity? If vacuum energy is the right answer, the universe will continue to expand, The galaxies will move away from us and the universe will gradually become a lonelier, darker, emptier place.

Neexistuje růžové světlo
Všem nám bylo řečeno, že barvy duhy odpovídají různým vlnovým délkám viditelného světla - červené, oranžové, žluté, zelené, modré a fialové. Ale kde je růžová? Není tam. Růžové světlo prostě neexistuje. Takže kde se bere růžová? Ukazuje se, že růžová (nebo purpurová, fuchsiová, jakkoli tomu chcete říkat) je vlastně směsice červeného a modrého světla - světla z obou konců duhy, které náš mozek vidí jako jednu barvu.

Takže když zkusíte srolovat duhu do barevného kolečka, uvidíte mezeru mezi červenou a modrou. Tam by měl jít všechen zbytek světla ve vesmíru - radiové vlny, mikrovlny, infračervené a ultrafialové světlo, rentgenové a gamma paprsky a tak. Ale protože tyto vlnové délky nevidíme, všechnu tu velkolepost schováme pod růžovou. A když mluvíme o světle, růžová by se asi měla nazývat "mínus-zelená", protože růžová je to, co zbyde z bílého světla, když odeberete zelenou.

Rychlost světla procházejícího sklem
Všichni víme, že se světlo ohýbá když prochází sklem, vodou, nebo jiným průhleným materiálem - tak funguje mikroskop, maják i dalekohled! A možná i víte, že se světlo ohýbá, protože sklem nebo vodou cestuje pomaleji než vzduchem - proč se ale zpomaluje? A jakto, že se zase zrychlí, když vyletí ven na druhé straně? Není tam nic, co by ho postrčilo! No, pokud považuješ světlo za vlnu, je to jednoduché - elektromagnetické vlny se prostě pohybují sklem pomaleji než vzduchem.

Takže vršky vlnek jsou blíže u sebe, ale světlo se zavlní stejněkrát za sekundu - má stejnou barvu! Když ale vlna zase narazí na vzduch, zůstane mu stejná barva, vršky se od sebe vzdálí a vrátí se na rychlost světla. Zjednodušené vysvětlení je, že energie vlny je dána jeho frekvencí (čili barvou), která se nemění! Takže nepotřebuje postrčit, aby na druhé straně zrychlilo. Ale počkat, říkáš? Já si myslel, že rychlost světla je konstantní - pořád jsi nevysvětlil, jak může zpomalit!

Tak teď si představme světlo jako částici. Když prochází sklem, odskakuje a naráží do všemožných molekul a elektronů. Takže se vždy pohybuje rychlostí světla, ale je zaneprázdněno srážkami s různými věcmi na cestě a ne vždycky si tak vybere tu nejkratší cestu sklem. Je to jako když prezident USA prochází místností - pokud je místnost prázdná, může projít přímo. Ale pokud je plná lidí, z nichž si každý chce potřást s prezidentem rukou, přestože chodí pořád plnou prezidentskou rychlostí, bude cestou zpomalen. Jakmile místností projde, může opět pokračovat svojí rychlostí. Plnou parou vpřed, pane prezidente!

Jak překročit rychlost světla?
Jistě jste slyšeli, že Einsteinova speciální teorie relativity udává vesmírný rychlostní limit: nic neumí cestovat rychleji než světlo. Tak to není pravda. Vše, co Einstein řekl, bylo, že světlo se pohybuje v každé vztažné soustavě stejně rychle, a z toho sice vyplývá, že nic s hmotností se nemůže pohybovat rychleji než světlo, neudává to vesmírný rychlostní limit. Protože můžete překonat rychlost světla u sebe na zahradě. Stačí namířit laser na měsíc a škubnout zápěstím.

Světelný bod přejede po tváři měsíce asi za půl milisekundy, což znamená, že cestuje dvacetinásobkem rychlosti světla! Jak je to možné? Představte si počítačovou obrazovku - jaký je rychlostní limit pro pixely na obrazovce? Nula. Pixely se nehýbou. [Pomoc! Jsem uvězněn v tekutých krystalech!] Ale když je mazaně naaranžujete tak, aby se zvláštním způsobem zapínaly a vypínaly, můžete vytvořit obraz, který jako by se hýbal po obrazovce, i když všechny pixely se ani nehnou.

Takže jste překonali rychlost pixelů! Laserové ukazovátko na měsíce je to samé - každý foton letí k Měsíci rychlostí světla, ale obraz tečky, který tam vytváří se pohybuje 20x rychleji! Žádné fyzikální zákony nebyly překročeny, neboť nic fyzikálního se vlastně nepohybuje rychleji než světlo - je to jen obrázek. Jak vás asi napadlo, červená tečka je už docela velká, když dorazí k Měsíci - podle vašeho laseru, může být 500 - 1000 kilometrů napříč! Takže se nebojte, že oslepíte nějaké kosmonauty.

GPS, realtivita a detekce jader
We take navigation for granted these days - GPS receivers guide airplanes, cars, and even cell phones! But did you know that the Global Positioning System is basically a big clock in space? There are thirty GPS satellites in orbit, and they just broadcast where they are and what time it is. All your phone GPS has to do is receive signals from four satellites and it can triangulate its location in the four dimensions in which we live – three space and one time. But actually it's not that simple!

In order for navigation to work, the satellites carry atomic clocks accurate to the nanosecond – otherwise your GPS receiver might tell you you're halfway across town when you're still in the driveway. And special relativity tells us that moving clocks run slow, while general relativity tells us that clocks run faster higher in a gravitational field. These effects don't quite cancel – general relativity wins out and time indeed runs faster up in orbit with the satellites!

But some of the engineers working on the first GPS satellite couldn't bring themselves to believe that their clock would actually run fast just from being higher up, so they sent it up uncorrected! Within minutes it was off by enough to impair GPS navigation, and by the end of the day, GPS receivers would have been wrong by tens of kilometers! Needless to say, the engineers turned the correction back on, and these days they trust general relativity! Oh, and one last thing - GPS is also a nuclear weapons detector: there are always at least four GPS satellites visible from any point on earth, and because of this, any nuclear detonation will be seen by enough satellites to pinpoint exactly where and when it took place.

Kolik váží milion dolarů?
Představte si, že jste uvízli na opuštěném ostrově bez internetu, knih a zloduchem, který vás pustí, když mu řeknete, kolik váží milion dolarů. Naštěstí, jste fyzik, takže dokážete zvážit milion dolarů svojí myslí! A to takhle: aproximací. Nevíme, kolik váží dolar, ale víme, jak je asi velký... víceméně. Dolar má asi 15x5 cm... A jak je tlustý? To taky nevíme, ale peníze jsou z papíru, a víme, že knihy "Harry Potter" mají asi 800 stránek nebo 400 listů papíru.

A myslím, že byly asi 5 cm tlusté... To dává 80 stránek na centimetr. Teď už víme objem dolaru: 15 krát 5 krát jedna osmdesátina je 0.9 centimetrů krychlových. Pořád však nevíme, kolik váží papír. Ale víme, že čtverečný centimetr vody váží gram. A peníze jsou hlavně voda, co? Takže řekneme, že čtverečný centimetr dolaru váží gram. Vynásobit 0.9 milionem a jsme hotovi! Milion dolarů váží 900 kg. Proč jsou aproximace ve fyzice důležité? No, nechtěli byste se pokoušet o dvouměsíční kalkulace bez zběžného odhadu toho, co počítáte. A někdy jsou aproximace jako ty naše i docela přesné: podle americké pokladny, milion dolarů váží tunu peněz. Doslova.

Teorie chlupaté koule
Představte si, že máte úplně chlupatý míč a snažíte se učasat ho tak, aby byl po celém povrchu plochý. Kdyby míč to byl donut, nebo by existoval ve dvou dimenzích, bylo by to lehké! Ale ve třech dimenzích? Narazíte na problémy. Velký chlupatý míč problémů. To kvůli větě algebraické topologie zvané "Hairy Ball Theorem" (ano, opravdu se tak jmenuje), která jasně dokazuje, že v nějakém bodě musí chlupy stát. A hele, neztrácej čas hraním si s chlupatým míčem ve snaze vyvrátit tuto větu - mluvíme o matematice. Je to dokázáno - hotovo - QED!

Technicky vzato, HBT říká, že spojité vektorové pole tečné ke kouli musí mít alespoň jeden bod, kde je vektor nulový. Co to má společného s realitou kromě neučesatelných míčů? Třeba rychlost větru kolem zemského povrchu je vektorové pole, takže HBT zaručuje, že na Zemi existuje vždy alespoň jeden bod, kde vítr nefouká. A ve skutečnosti je jedno, jestli je dotyčný předmět tvaru míče. Pokavaď může být zformován do míče bez střihání nebo sešívání okrajů, věta stále platí. Takže až vám příště bude matematik dělat potíže, zeptejte se ho, jestli učeše chlupatý banán.

Jak funguje laser
Abyste si vyrobili laser, vše, co potřebujete, je dát velkému množství atomů dostatek energie, aby jste je excitovali a donutili je tak vydat světlo. Jakmile jeden z nich samovolně vydá foton, stimuluje to ostatní, aby vydaly další foton a dostanete pěknou lavinu světla. Ale místo abychom ho nechali všechno uniknout, je mnohem zajímavější uvěznit ho mezi dvěma zrcadly a nechat ho odrážet se tam a zpátky skrze atomy. Všechno toto procházející světlo je přinutí vydat ještě více světla a dokud budeme atomy reexcitovat, budou vesele vydávat světlo napořád.

Ale proč atomy vydávají světlo jen protože kolem prolétává další foton? To je vlastně docela jednoduché. Představte si, že házíte dvěma mincemi: mohou být buď "ve stejném stavu", nebo "v různých stavech". Ale fotony nejsou jako mince - jakkoli bychom se snažili, jeden od druhého od sebe nepoznáme. Takže v našem experimentálním "hodu fotony" tohle znamená, že mohou být jen jedním způsobem v různých stavech, ale dva způsoby, jak být ve stejném stavu. Takže je více pravděpodobné, že budou ve stejném stavu, a obecně z toho vyplývá, že fotony vždy chtějí být jako ostatní fotony - být ve stejné fázi, mít stejnou polarizaci, jít stejným směrem.

A ještě úžasnější je, že když osamocený foton prochází kolem excitovaného atomu, který by mohl vyzářit další foton, je dobrá šance, že se tak stane. Protože dva fotony chtějí být spolu - dokonce ještě PŘEDTÍM, než ten druhý existuje. No a jakmile máte všechny ty kamarádské fotony skákající mezi zrcadly, můžete prostě udělat malou díru na konci a vypustit oslňující proud koherentního světla: laserový paprsek. Pokud byste chtěli vidět lasery v akci, zkoukněte tuto skvělou epizodu "Smarter Every Day" ukazující laser, do kterého můžete strčit ruku! A najdete tam další skvělá videa o vědě.

Co je Neutrino?
Neutrina jsou malé, téměř nehmotné částice, které poznáme pouze podle interakce s gravitací a jaderného rozpadu. Protože nepůsobí elektromagneticky, tedy se světlem, doslova je nelze vidět! Vlastně, detekovat neutrinu je trochu jako snažit se chytit kulku sítí na motýly - paprsek neutrin by olovem procházel dva roky, než by se zastavil. (Radiace z jaderného spadu neprojde 10 cm olova.) Takže, jak zachytit neutrino? Obvyklý způsob je naplnit vodou velkou nádrž: víme, že světlo ve vodě zpomaluje, a pokud náhodou dostatečně energetické neutrino ťukne do elektronu, elektron prosviští vodou rychleji než světlo!

Když se toto stane, elektron slabě zazáří - Čerenkovovo záření - něco jako třesk při překonání rychlosti zvuku pro světlo, a umožní detekovat neutrino. Největší neutrinový detektor na světě je balón nad jižním pólem, který používá celý ledový příkrov jako nádrž s vodou! Neutrina nám také říkají, že vesmír není stejný jako jeho zrcadlový obraz. Pokud zaměníme levo a pravo, skoro celá fyzika, jako gravitace, elektromagnetismus, silné interakce, zůstává nezměněna. Nicméně, zvláštní na neutrinech je, že fyzikálně jsou všechna leváci - jejich zrcadlový obraz neexistuje! Takže neutrina jsou upíři fyziky.

Einsteinova speciální teorie relativity
Okolo roku 1900, celá fyzika, a hlavně Einstein, měli problém: nemohli přijít na to, jak by se cokoliv mohlo hýbat... Ale než si začnete stěžovat, že přeháním, mrkněte na tuto kočku! Jasně vidíte, že se vzdaluje od Einsteina konstantní rychlostí... Při troše klouzavého zaměňování to najednou ale vypadá, jako by se pohyboval Einstein. To je ten "zastaralý" princip relativity, takže ho samozřejmě učíme ve školách... Hlavní tady je, že záměny mění relativní věci, jako umístění a rychlost, a ne absolutní, jako je vzdálenost Einsteina a kočky.

K tomu problému: předtím, než se Einstein vůbec narodil, fyzikové ukázali, že rychlost světla je jedna z těch absolutních věcí, které se nezmění záměnou, takže jakoukoli záměnu uděláme, musíme světlu nechat stejnou rychlost. Pak je ale zřejmé, že nemůžeme udělat naše klouzavé zaměňování vůbec, takže nemůžeme vysvětlit, jak se může hýbat cokoliv jiného, než světlo! OK, přeřekl jsem se... Je tu jedno řešení - vydíte ho? Předpokládali jsme, že naše záměna musí nechat každý sled času, no, stejný.

Ale žádný fyzikální zákon neříká, že čas je absolutní věc, která by se nedala změnit záměnou. Takže když budeme prostě točit se sledy času když s nimi kloužeme, můžeme nechat rychlost času stejnou a taky vysvětlit, jak se můžou věci hýbat. Samozřejmě, Einstein nepřišel na tento "speciální princip relativity" v roce 1905 - to už udělal chlápek jménem Lorentz 10 let před tím. Ale Lorentz si myslel, že tato rotace času je jen matematický trik... A chtělo to Einsteina, aby vystoupil a, hádáte správně, navrhl, že tato rotace času je skutečná, že čas opravdu je relativní a že tudíž se současné události pro jednoho pozorovatele nejsou současné pro dalšího, který se pohybuje. Tomu se říká změna pohledu.

Einsteinův důkaz rovnice E=mc^²
Roku 1905 Albert Einstein odvodil dnes nejznámější rovnici na světě: E se rovná M C na druhou. To ale nenapsal jen tak z fleku - vyplývá to přímo z jeho práce o speciální teorii relativity, o které jsme mluvili před týdnem... Udělal to takhle: Představte si, že se díváte na kočku, jak se volně vznáší ve vesmíru, když najednou vyzáří záblesk světla všemi směry. Světlo odnáší pryč nějakou energii (říkejme mu třeba E), takže ze zákona zachování energie, kočka musela ztratit energii E...

Ale jelikož světlo bylo vyzářeno symetricky všemi směry, nezměnilo rychlost kočky. Takže odkud se všechna ta energie pro světlo vzala? Teď se tím chvíli nezabývejme... Začali jste se nudit, a tak jste uprostřed experimentu odfrčeli i s lodí. Ale z vaší nové perspektivy, vy stále sedíte ve vaší lodi a to kočka se pohybuje vně okna! Takže spočítáte, že kočka má nějakou kinetickou, tj. pohybovou, energii. A když uvidíte kočky vyzářit záblesk světla, opět změříte, že se její energie zmenšila o energii světla. Ale teď, když se pohybujete, speciální teorie relativity nám říká, že čas se pohybuje různě rychle pro vás a kočku, takže změříte jinou hodnotu pro frekvenci, a tudíž energii záblesku.

Toto je relativistický dopplerův efekt a, pro naše potřeby, znamená vynásobit energii světla jednou plus vaší rychlostí na druhou děleno dvakrát rychlost světla na druhou. V kostce, když odletíte rychlostí v, uvidíte kočku získat kinetickou energii KE1, potom při záblesku uvidíte energii kočky zmenšit se E krát jedna plus v na druhou děleno dva c na druhou. Na druhou stranu, když si počkáte, uvidíte energii kočky zmenšit se o E, a teď když odletíte, uvidíte, jak získá kinetickou energii KE2.

Ale to je zvláštní! Celou dobu jste se kočky nedotkli ani ji jinak neovlivnili, takže byste měli dostat na konci stejnou energii... Úpravami zjistíme, že kinetická energie před a po záblesku musí být jiná! Kinetická energie předmětu je jedna polovina jeho hmotnosti krát rychlosti na druhou, ale my víme, že rychlost je v obou případech stejná... Takže abychom vysvětlili rozdíl, hmotnost kočky se musí změnit, když vyzáří záblesk světla! A teď když věci vyrušíme, uvidíme, že změna hmotnosti kočky musí být rovna energii dělené c na druhou - nebo, jak už jste slyšeli dříve, E se rovná M C na druhou!

Neexistuje "Čtvrtý rozměr"
Rád bych vyvrátil jednu mylnou představu: není žádná čtvrtá dimenze. Vlastně není ani žádná třetí dimenze. Tím rozhodně nechci říct, že nejsou tři dimenze... To jsou, my jen nejsme schopni tyto dimenze od sebe rozeznat: není žádný speciální směr, kterému bychom říkali "první dimenze"[sever? východ? západ?], takže nemá smysl říkat "tahle je druhá" nebo "která je čtvrtá"? Je to jako kdybychom měli džbánek se třemi sklenicemi vody... Pak můžeme říct, že tam JSOU tři sklenice vody, ale která je první? Druhá? Nebo třetí?

Takové otázky ani nemají smysl! Na druhou stranu, existují různé DRUHY dimenzí, které od SEBE lze rozeznat - jako když nalijete tři sklenice vody a jednu sklenici oleje do našeho dimezionálního džbánu. Pak můžete říct: "Mám tři dimenze které se chovají stejně a jednu, která se chová jinak". A tak to myslíme, když říkáme, že žijeme ve třech prostorových rozměrech a jednom časovém rozměru. A není nic zvláštního na tom přidat další sklenici vody, takže bychom měli čtyři vodní sklenice a jednu olejovou sklenici; stejnětak bychom mohli uvažovat, jak by asi vesmír vypadal, kdyby měl ČTYŘI prostorové dimenze a jednu časovou dimenzi.

Nebo, v případě teorie strun, devět prostorových a jednu časovou dimenzi. A když už jsme v tom, nebylo by tak těžké si představit, že by mohly být dva rozměry času... Ale já ani nemám dost jednoprostorového času, abych to teď vysvětlil. No, kdybyste měli chuť procvičit váš mozek ve čtyřech prostorových rozměrech, mrkněte se na knihu Flatland, nebo zkuste vyřešit 4D Rubikovu kostku.

Jak počítat do nekonečna?
Dneska budeme počítat do nekonečna. Počítání se může zdát primitivní, jako když řekneme že máme pět ovcí, znamená to, že máme jednu ovci pro každé číslo od jedné do pěti. A deset ovcí znamená každá pro každé číslo od jedné do desíti.. nebo dvou do jedenácti. Takže říkáme, že dvě skupiny mají stejný počet věcí v sobě, pokud jednoduše můžete nakreslit čáru spojující každou věc v první skupině k něčemu v té druhé, a naopak, přesně jednou. Jsou to partneři!

Je to to samé, když řekneme že dvě plus jedna se rovná třem, nebo tři se nerovná čtyřem: pouze popisujeme čáry, které kreslíme k spojení jedné skupiny věcí k jiné. Ať tak, či jinak počítání ovcí je nuda, pokud tedy nechcete napočítat NEKONEČNO ovcí. Jako když byste měli ovci ke každému číslu mezi 0 a 2, bylo by to více ovcí než kdybyste měli jednu ke každému číslu mezi 0 a 1? Nikoli! Protože můžete každé číslo mezi 0 a 1 přiřadit ke svému dvojnásobku, a tak dostat každé číslo mezi 0 a 2 (a když to chcete "vrátit", můžete prostě vydělit každé číslo mezi 0 a 2 napůl a dostanete zpátky všechna čísla mezi 0 a 1).

Ale existuje více reálných čísel mezi 0 a 1, než je v celé nekonečné skupině celých čísel 1, 2, 3, 4, a tak dál. Jak to kruci můžeme vědět? Nakresleme si pár čar. Pro "1", nakresleme si čáru k číslu mezi 0 a 1. A pro "2", nakresleme si čáru k dalšímu číslu mezi nula a jedna. Pro "3", nakresleme čáru k číslu mezi... nula a jedna. A tak dále. ALE, nehledě na to, ke kolika číslům mezi 0 a 1 jsme nakreslili čáry, vždy můžeme napsat číslo mezi 0 a 1, které nesouhlasí s první číslicí tady, druhou číslicí tady, a třetí číslicí tady a tak dál...

Takže tohle nové číslo bude odlišné ode VŠECH ostatních čísel, ke kterým jsme už čáry nakreslili. Ale my už jsme přece nakreslili čáry ke každému celému číslu, takže nezbylo žádné, které by bylo partnerem tohohle čísla! Navíc, kvůli tomu, jak chytře jsme tohle vymysleli, můžeme najít jedno osamělé číslo navíc jako tohle, nehledě na ostatní čísla které jsme už vybrali, což znamená že NIKDY nemůžeme nakreslit čáry od všech celých čísel ke všem číslům mezi 0 a 1 s pouze jedním možným spojením. A to znamená, že opravdu je více reálných čísel mezi 0 a 1 než v celé nekonečné skupině čísel 1, 2, 3, 4, a tak dále. Tak, Hazel Grace, některá nekonečna jsou opravdu větší než jiná nekonečna.

Higgsův Boson, 1. část
Co to je a proč je důležitý Rovnou k věci: k 4. červenci 2012 je Higgsův boson poslední zásadní část Standardního modelu částicové fyziky k experimentálnímu potvrzení. "Ale", možná se ptáte. "proč byl Higgsův boson zahrnutý ve Standardním modelu po boku známých částic jako elektronů, protonů a kvarků, když nebyl objeven v sedmdesátých letech?" Dobrá otázka. Dva hlavní důvody: Zaprvé, stejně jako elektron je excitace elektronového pole, Higgsův boson je prostě částice, která je excitací všudypřítomného Higgsova pole.

Higgsovo pole, na druhou stranu, hraje zásadní roli v našem modelu radioaktivního rozpadu, nazývaném slabou interakcí (Higgs hlavně vysvětluje, proč je tak slabá). O tom budeme více mluvit v dalším videu, ale i když byla teorie slabé interakce potvrzena v osmdesátých letech, v rovnicích je Higgsovo pole tak neoddělitelně provázané se slabou interakcí, že dodnes se nám nepodařilo potvrdit jeho samostatnou existenci. Druhým důvodem, proč zahrnout Higgse do Standardního modelu je slovíčkaření o Higgsovu poli dávajícímu ostatním částicím hmotnost.

Ale proč musí věci vůbec "dostávat" hmotnost? Není hmotnost prostě vnitřní vlastnost hmoty, jako elektrický náboj? No, v částicové fyzice... Ne. Pamatujte, že ve Standardním modelu nejdřív napíšeme matematický "seznam ingrediencí" všech částic, které myslíme, že jsou v přírodě (a jejich vlastnosti). Můžete se podívat na moje video o "teorii všeho" pro rychlé proškolení. Poté projedeme tento seznam takovým velkým matematickým strojem, který plive rovnice, které nám říkají, jak se tyto částice chovají.

Ale když se pokusíme zahrnout hmotnost jako vlastnost částic na náš seznam ingrediencí, matematický stroj se rozbije. Možná hmotnost byla špatná volba... Ale většina částic pozorovaných v přírodě má hmotnost, takže musíme přijít na nějaký chytrý způsob, jak použít přísady tak, aby vyplivl hmotnost ve výsledných rovnicích, aniž by to byl vstup - něco jako když necháte kvasnice, cukr a vodu zkvasit do alkoholu, který tam na začátku nebyl. A jak asi žíznivě očekáváte, řešením je vhodit kvasené Higgsovo pole společně s dalšími přísadami Standardního modelu, takže když necháme matiku kvasit, dostaneme částice s hmotností!

Ale tento model také vaří něco, co jsme NECHTĚLI: samostatnou Higgsovu částici, obávaný boson. A jelikož tento model funguje tak dobře na všechno ostatní, došlo nám, že osamocený boson bude asi taky dobře! Abychom to shrnuli, Higgsův boson je částice, což je zbytková excitace Higgsova pole, které je zase potřeba ve Standardním modelu, aby 1.) vysvětlilo slabé interakce a 2.) vysvětlilo proč vůbec nějaká z částic má hmotnost. Nicméně, boson je jediná část Higgsova pole, která je nezávisle ověřitelná, přesně protože ostatní části jsou propleteny se slabou interakcí a s dáváním částicím hmotnost.

Fakt, že Higgsův boson je tak nezávislý na zbytku Standardního modelu, je důvod, proč je to poslední část skládačky k objevení - a pokud se ukáže být přesně tím, co předpokládáme, Standardní model bude úplný. Jediným problémem je, že víme, že Standarní model NENÍ úplným popisem vesmíru (například úplně vynechává gravitaci). Takže pro fyziky by bylo mnohem zajímavější, kdyby se ukázal být trochu něčím jiným, než čekáme...

Pak bychom mohli být na stopě tomu, jak dosáhnout hlubšího porozumění vesmíru. Takže přestože jsme právě udělali objev, nemůžeme jen nečinně přihlížet. Potřebujeme nápovědu, pane Higgsi. Pokračování v II a III části

Higgsův Boson, 2. část - Co je Hmota?
Rovnou k věci: jak Higgsovo pole "dává" částicím hmotnost? (aby bylo jasno, mluvíme o Higgsovu poli a NE o Higgsovu bosonovi, což je jen excitační zbytek po procesu, který se chystáme vysvětlit. Ale zpět k hmotnosti!) Pro začátek musíme vědět, co vůbec myslíme "hmotností" - proto se vydáme druhým směrem a promluvíme o tom, co to znamená být "bez hmotnosti": možná to zní šíleně, ale definující vlastnost jakékoli částice bez hmotnosti je, že cestuje rychlostí světla.

Vlastně, kdybychom byli upřímní, nazývali bychom to "rychlostí nehmotných částic", ale jelikož první nehmotná částice, o které jsme věděli byly fotony světla, jméno se uchytilo. Každopádně, hlavní je, že nehmotné částice uletí 300 milionů metrů každou vteřinu. Detaily jsou vysvětleny speciální relativitou, ale jednoduše řečeno, je fyzikálně nemožné, aby nehmotná částice NECESTOVALA 300 milionů metrů za sekundu. Mohou se pohybovat po přímce nebo se odrážet od věcí a měnit směr, ale rychlost nehmotných částic se nikdy nemění.

A tak hmotnost je jen vlastnost NEMUSET se vždy pohybovat rychlostí světla. Jako vedlejší efekt to také znamená nebýt SCHOPEN se pohybovat rychlostí světla, ale klíčové je, že částice s hmotností mají to štěstí, že se mohou pohybovat JAKOUKOLI rychlostí chtějí - dokud je pomalejší než světlo. Množství hmotnosti, co něco má, jen určuje, jak těžké je pro to změnit rychlosti. V první části jsme zmínili, že pokud by ve standardním modelu nebylo Higgsovo pole, všechny částice by byly nehmotné a tudíž cestovaly rychlostí světla.

Ale vy a já a švýcarský sýr máme hmotnosti, protože máme ten luxus, že můžeme v klidu sedět. Tak jak nám Higgsovo pole pomáhá toho dosáhnout? No, zatímco nehmotné částice se pohybuje pouze rychlostí světla, MŮŽOU se odrážet od věcí. Věci jako částice, které jsou prostě jen excitacemi kvantového pole. Například, elektronové pole je více koncentrované na jistých místech zvaných "elektrony" - a všude jinde je "prázdný prostor". Ale Higgsovo pole je neobyčejné v tom, že má vysokou hodnotu VŠUDE - a aby bylo jasno, tato vysoká hodnota není známý Higgsův Boson - to je další excitace v tomto poli s již tak vysokou hodnotou.

Ale protože Higgsovo pole má tuto všude nenulovou hodnotu, jakákoli částice s ním MŮŽE interagovat tak, že se od něj pořád tak nějak odráží. A pokud se nehmotná částice odráží tam a zpátky a tam a zpátky (anebo, jelikož jde o kvantovou mechaniku, dělá obojí najednou), tak přestože se mezi odrazy pohybuje rychlostí světla, když to všechno sečteme, tak to vypadá, jako by se částice pohybovala pomaleji než světlo. Dokonce... Jako by se nehýbala! A jelikož jen věcem s hmotností je dovoleno se nehýbat, naše nehmotná částice nyní vypadá a chová se, jako by měla hmotnost.

Bravo, Higgsi! Jako by to nestačilo, Higgsovo pole může dokonce interagovat se svými vlastními excitacemi, což znamená, může dát hmotnost i Higgsovu bosonu. Vlastně, Higgsovo pole mnohem radši interaguje samo se sebou než s podřadnými elektrony a protony, ze kterých jsme, takže Higgsův boson má mnohem větší hmotnost - proto je tak těžké ho najít. Ale neměli bychom si stěžovat, protože přestože nám Higgs nadělal spoustu problémů a jen málo hmotnosti, aspoň máme hmotnost, což nám umožní to jednoduché potěšení: nehýbat se.

Co kdyby byla díra skrz Zemi?
Letět Boingem 747 z jedné strany země na druhou by trvalo přibližně 22 hodin... a přesto, že vím, že je v cestě trochu kamene, je to docela zajížďka. Takže, co kdybychom vykopali díru skrz Zemi, skrz střed a skočili dovnitř? Tak Michaeli, pravděpodobně by ses moc daleko nedostal - kvůli Coriolisově efektu (kvůli kterému se míč divně zahne když ho vyhodíš z kolotoče a proč se hurikány vždy točí po směru hodinových ručiček na severní polokouli). Na rovníku se Země (s tebou na sobě) točí směrem na východ rychlostí 1670 km/h.

Čím jdeš hlouběji, kousky Země kolem tebe se stále točí kolem osy jednou denně, ale nemají tak dlouhou dráhu kterou by musely překonat, takže se pohybují pomaleji a pomaleji. Kdybys skočil do svislé díry, brzy by ses pohyboval na východ rychleji než kámen kolem tebe, takže po pádu pouhých pár kilometrů bys narazil do východní stěny. Možná to není neštěstí, ale pár horníků blízko Lake Superior to zkusili otestovat vhozením kanonových koulí do mílové (1,6km) šachty - a koule nikdy nedopadly na dno.

Dobře, tak co kdyby ten tunel šel z pólu do pólu, pak by neměl Corioliho efekt vliv, a pojďmě usoudit, že tam není žádný odpor vzduchu ani tření. Fajn. Protože hmotnost Země je koncentrovanější blízko středu, gravitace by tě táhla dolů přibližně stejnou silou po prvních 3000 km, neboli do půlky cesty do středu planety - ta známá, stálá síla by tě zrychlovala dokud bys nepadal 8 km každou vteřinu. A druhá polovina cesty do středu Země by ti trvala jenom 13 minut.

Brzy poté bys dosáhl zemského vnějšího jádra, a to je ten bod, kde by gravitační tah byl nejsilnější, ale jen o trochu silnější než síla, na kterou jsme zvyklí z povrchu. Jak bys dál padal blíže ke středu, nad tebou by už bylo tolik zemské hmoty, že by to začlo vážně vyrovnávat tah hmoty pod tebou a ten tah by zeslaboval dokud bys nedorazil do středu. Tady bys nenašel vůbec žádný gravitační tah - respektive, Země by na tebe působila stejnou silou ze všech směrů, takže bys mohl volně plout bez smyslu pro "nahoře" nebo "dole".

Až na to, nezapomeň, že bys prolítal skrz rychlostí asi 22 000 mph, neboli 6 mil za sekudnu (35 400 km/h, resp. 9,6 km/s). Jakmile bys prošel středem, celý proces by se obrátil a ty bys postupně zpomaloval, táhnutý dolů (nebo je to nahoru?) zprvu slabě, ale pak silněji, dokud by ses nedostal na druhou stranu, kde by ses přestal hýbat a mohl bys vystoupit na povrch, pouhých 37 minut, nebo jeden cykl na sušičce, později. Samozřejmě, nejhlouběji co se nám kdy povedlo kopat je Kolský superhluboký vrt v Rusku.

Ten ale měl hloubku 12km, což jsou jenom dvě třetiny délky Manhattanu. Museli přestat, protože tam bylo příliš teplo: 180°C. A tohle je přesně ten problém s kopáním díry skrz Zemi - Země je horká, a ve středu roztavená. Nemůžes prostě jen tak vykopat díru skrz lopatou. Ale tady je otázka: co kdyby střed Země nebyl celý tekutý, co kdyby Země byla dutá, ale vážila stejně? No, s veškerou svojí hmotností koncetrovanou v tenkém obalu přímo pod našima nohama by Země už neměla žádné magnetické pole, protože to vychází právě z roztaveného železného jádra, takže bychom byli úplně bezbranní vůči radiaci ze solárního větru a bouří.

To by znamelo, že bychom viděli aurory VŠUDE. Podívej! To je Polární Mírná Subtropická Tropická záře! A co kdybys skočil skrz dutou Zemi abys unikl solární bouři? No, gravitační síly z různých míst sférického Země-obalu by se dokonale vykrátily a ty by ses jen tak vznášel volně po vnitřku jakoby tam Země vůbec nebyla! Samozřejmě, asi by sis měl vzít vesmírný oblek, protože není ani zdaleka dost vzduchu Na Zemi aby to zaplnilo celý VNITŘEK Země. Ale co kdyby celý vnitřek Země byl pokryt zrcadly?

Henry, to je směšně... zatím Dobře, tak zpátky ven ze Země. Ve skutečnosti bychom nezaznamenali nějakou změnu co se gravitace týče - padající věci by stále zrychlovali 9.8 m/s^2, baseballový míč by stále následoval stejnou dráhu a Měsíc by stále obíhal okolo Země po stejné orbitě. Hej Henry, pojďmě do vesmíru, hned teď! Vem si svou zbraň - všechno bude dávat smysl později. Dělej. Jo a ty jdeš také. Klikni na tuhle anotaci a dostaneš se na můj kanál, Vsauce, abys viděl zbytek našich dobrodružství. Uvidíme se tam.

Proč je noční obloha černá?
Mohli byste si myslet, že odpověd je nasnadě - nesvítí slunce! Ale jediný důvod, proč je ve dne obloha modrá, je ten, že se sluneční paprsky odráží od atmosféry - kdybychom neměli atmosféru (jako například měsíc), obloha by byla pořád černá, i kdyby svítilo slunce. Zopakujme si otázku - proč je vesmír černý? Vesmír je plný hvězd - bezpočtu hvězd, které svítí stejně jako slunce. Kdybyste se v nekonečném vesmíru, jedno jakým směrem, podívali dostatečnì daleko, uviděli byste hvězdu nebo galaxii.

Takže celá obloha by měla být stejně světlá jako slunce, ve dne i v noci! A proto že není, značí černá obloha, že v dálce vesmír končí? Hranice mezi ničím a něčím? "Okraj" vesmíru? Ne tak docela - všechny naše důkazy směřují k tomu, že vesmír nemá hranici. Ale samotný kosmos ji má. Ne prostorovou, ale dočasnou. Jak víme, kdyžžvesmír vznikl před 13,7 miliardami let byl malý a zmačkaný v sobě tak, že se všechny naše současné fyzikální zákony hroutí. A protože jistý čas uplynul, od tohoto takzvaného "počátku", jsou některé hvězdy snažící se šířit světlo všemi směry tak daleko, že samotné světlo k nám nestačilo dorazit…

Je to jako kdyby vesmír byl velká bouře a my čekali, až uslyšíme hrom z velmi vzdálených hvězd. Ale počkat, to není všechno - protože světlu chvíli trvá, než přeletí celý vesmír, když namíříme naše dalekohledy na něco opravdu vzdáleného, ve skutečnosti vidíme obraz vesmíru jak vypadal v momentu, když emitoval světlo. Když se tedy podíváme na 13,5 miliardy staré světlo, neznamená to, že světlo z hvězd k nám ještě nedoletělo. Nevidíme žádné hvězdy, pouze vidíme, jak vypadal vesmír před tím, než vůbec vznikly.

Vesmír bez hvězd! To zní jako dobrá odpověd na otázku, proč když se v noci podíváme nahoru, vidíme černou oblohu. Bohužel to tak není. Je pravda, že na obloze můžeme najít body, které ve skutečnosti nejsou hvězdy protože vidíme obraz hvězd, jak vypadaly v minulosti. Ale i když nasměrujeme naše dalekohledy k bližším hvězdám, stále vidíme světlo. Ne svit hvězd, ale světlo které zbylo po Velkém třesku. Tento jev nazýváme "reliktní záření", přicházející víceméně ze všech směrů a tvořící hvězdné pozadí.

Myslím si tedy, že noční obloha ve své podstatě není černá. Dobře... takže když nám naše dalekohledy tvrdí, že noční obloha není černá, tak proč tak vypadá? Zde je správná odpověď: když Hubbleův teleskop fotografoval vzdálené hvězdy nádherného Hubbleova hlubokého pole (HDF), fotil infračerveně. Proč? Inu, vzdálené hvězdy se od nás stále vzdalují, protože se vesmír rozpíná. Stejným způsobem, jako zpomalující deska sníží výšku mého hlasu, Dopplerův jev způsobí, že vzdálenější hvězdy červenají a čím dále jsou, tím rychleji se od nás vzdalují a tím více červenají, dokud se nedostanou do infračerveného spektra.

A pak už nejsou vidět vůbec. Alespoň ne lidským okem - a proto je noční obloha černá! V kostce: Kdybychom žili v nekonečném, neměnném vesmíru, celá obloha by byla stejně světlá jako slunce. Ale obloha je v noci černá, zaprvé proto, že vesmír měl počátek, a proto nejsou hvězdy všude a zadruhé, protože světlo ze supervzdálených hvězd (a ještě vzdálenějšího reliktního záření) mizí v infračerveném spektru, způsobeném rozpínaním vesmíru, takže ho prostě nemůžeme vidět. Konečně jsme vrhli trochu světla na otázku, proč je a není noční obloha černá!

Můžeme předpovědět vše?
V našem každodenním životě jsme zvyklí na přesné, určité předpovědi: hoďte balon do vzduchu, a balon bude padat po eliptické dráze; nechte deštník ležet na ulici, a když přijdete zpět, je tam, pořád jenom jeden deštník. Kvantová fyzika taková není - protože kvantová mechanika nám nedovolí vytvořit přesné předpovědi o budoucnosti. Můžeme jenom předpovídat přavděpodobnosti různých výsledků, a neříká přesně, který z nich se stane. "Dobře," mohli byste říci, "je to stejné jako s počasím - moderátor nám pouze říká, jak velká je šance, že bude pršet; nemůže nám říci, jestli bude nebo nebude pršet."

Možná ale jenom moderátor nemá dostatečný přehled o tom, kde přesně jsou na světě všechny molekuly vody a vzduchu, nebo nedostatečný model, jak mezi sebou reagují, nebo nedostatečně rychlý počítač, který by nasimulovat všechny z bžilionu interakcí. Možná, pokud by měl dostatek dat a rychlý počítač, jeho model počasí by vám mohl přesně říci, kde přesně každá kapka deště spadne. Chápete? To je přece rozumý nápad, že kdybyste měli více dat, mohli byste vysvětlit cokoli.

Toto je klasický, deterministický pohled na vesmír. A po určitou dobu mnoho fyziků, i s Einsteinem, myslelo, že to samé musí platit i ve kvantové mechanice - možná jenom nemáme dostatek informací, které bychom vložili do našich kvantových modelů; možná zde byly klasické proměnné, které byly skryty nám a našim experimentům, zadání, které by perfektně vysvětlily všechno, bez potřeby kvanotvé mechaniky a její smýšlení typu ''Dám vám 50/50 pravděpodobnost,že ta kočka je mrtvá."

Kromě toho se ukazuje, že vlastě můžeme otestovat, jestli toto klasické, základní vysvětlení kvantové fyziky může, i jenom v principu, existovat. Detailů je dostatek na další video,ale experimenty nám říkají, že… žádný klasický, normální, základní popis kvantové mechaniky není. A to znamená, Einsteine, že vesmír se řídí podle kvantové mechaniky, ať už se ti to s 50% šancí libí, nebo ne. PS: Jsem našený ohlásit, že MinutePhysics je nyní podpořen tričky MinutePhysics. Zakupte svoje na dftba.com/minutephysics nezapomeňte být boží!

Otevřený dopis prezidentovi: Podpořte vzdělání ve fyzice
Drahý pane prezidente Kolik toho víte o fyzice? Tím myslím: jste prezident Spojených Států Amerických: země s pěti tisíci nukleárními zbraněmi a rodištěm světového výpočetního a telekomunikačního průmyslu, domovem prvních atomových hodin a stvořitelem GPS (globálního polohovacího systému). Ale je vysoká šance, že pokuď by jste se zapsal do obyčejného amerického, středoškolského kurzu fyziky, nevěděl byste nic o vědě skrývající se za probíranými látkami (bez urážky).

To je z toho důvodu, že studenti středních škol napříč Amerikou nejsou učeni o v podstatě žádném fyzikálním jevu objeveném nebo vysvětleném po roce 1865. Ano, 1865. To je rok ukončení občanské války a více než desetiletí před tím než se Alber Einstein vůbec narodil! Víte, kolik se toho může stát během 150-ti let, pane prezidente? Hodně. Na příklad suchý zip. Ale teď mi dovolte zmínit nějaké užitečné a důležité nápady posledních 150-ti let fyziky které nejsou povinnou součástí většiny standartního vyučování fyziky ve Spojených Státech: Fotony, sruktura atomů, existence antihmoty, GPS, lasery. tranzistory, diody a LED-diody, kvarky, teorie chaosu, elektronové mikroskopy, MRI skenování, velký třesk, černé díry, formování hvězd.

Fakt, že gravitace ohýbá světlo. Fakt, že vesmír se roztahuje. Higgsův Boson, slabé a silné nukleární síly a veškerá kvantová mechanika. Také relativita a téma týkající se každé Nobelovy ceny ve Fyzice od....počátku. Vlastně většina důležitých věcí. Například, pane prezidente, představte si výuku historie bez zrušení otroctví, světových válkách, velké hospodářské krizi, povstání Spojených Států jako světové velmoci, studené války, hnutí za občanská práva nebo prvního afro-amerického prezidenta.

Nebo si představte, kdyby se ve výuce biologie neučilo o DNA, hormonech, buněčné reprodukci, moderní teorii o bakteriálních chorobách nebo ekologii. Nebo si představte kdyby geologové nemluvili o deskové tektonice. A počítačoví vědci....no...v roce 1865 byl počítač někdo kdo počítal vaše daně. Pokuď jsme měli dostatek štěstí a narazili na ambiciózního učitele nebo se zapsali do pokročilých kurzů fyziky, pak jsme se možná i naučili něco o Einsteinových objevech z roku 1905! Ano! Současné události!

Avšak Einsteinova práce pomohla nastavit pódium pro století úžasných pokroků v našem poznání vesmíru, ale to není součást standartních osnov. Takže proč, pane prezidente adresuji tento dopis Vám? No, Vy dosazujete ministra školství a já se domnívám, že středoškolská fyzika je tak nějak spojena se školstvím. No, možná Váš ministr školství říká: "Starobylá fyzika je už takhle těžká pro středoškoláky. A vy je chcete učit moderní fyziku, která je ještě těžší?! Studenti nejsou plně schopni ocenit krásu moderní fyziky bez módní vysokoškolské úrovně matematiky."

NESMYSLY. Nikdy jste neslyšeli o Carlu Saganovi? Richardu Feynmanovi? Nebo Neil deGrasse Tysonovi? Tito skvělí muži byli na 100% zavázáni k ocenění a rozšíření úžasnosti vesmíru. A my bychom měli býti také. Jak jinak bychom měli podporovat a najít naše budoucí briliantní inovátory, vynálezce a ojevitele? Jak můžeme čekat, že vzěláme naše občany na další století, pokuď je nenaučíme o tom minulém? A to neříkám, že máme ignorovat matematiku, právě naopak, matematika je jedna z nejkrásnějších a nejúžasnnějších věcí ve vesmíru, zvláště, protože nám umožňuje porozumět vesmíru.

Zejména posledních 150 let přispělo k možná těm nejdrastičtějším změnám v našem porozumění vesmíru a tyto nové metody řešení a přemýšlení o problémech by měly být středem našeho fyzikálního vzdělání. Mezi mnou a Vámi pane prezidente, myslím, že bychom měli začít vytvářet fyzikální vzdělávání tady ve Spojených Státech zajímavějším, jinak další Carl Sagan nebo Richard Feynman příjdou od někuď s více vzdělávající prozíravostí - možná dokonce i z internetu. S pozdravem, seskupení atomů známé jako Henry,

P.S. jste pravděpodobně extrémě zaneprázdněn, ale pokuď byste chtěl slyšet o výuce fyziky z druhé strany Atlantiku, doporučil bych Vám zamířit na Brandův kanál, Sixty Symbols, (šedesát symbolů) pro perspektivu z Velké Británie. Vsadím se, že si ji užijete.

Co znamená "dotýkat se?"
Keď ľudia hovoria: "Keď sedíte na stoličke, ako ja práve sedím," "tak sa nad ňou v skutočnosti vznášam," ale vlastne môj zadok sa vznáša nad touto stoličkou o takýto malý maličký kúsok" "pretože elektróny môjho tela" "pretože elektróny môjho zadku" "odpudzujú elektróny tejto stoličky" "V skutočnosti sa nedotýkame subatomického materiálu veci" Je to naozaj pravda? Znamená to, že MC Hammer celý ten čas spieval o fyzike? "Can't touch this!!" (Nemôžeš sa toho dotkúť!)

Bohužial, toto neberie do úvahy fakt, že vesmír je kvantovo mechanický. Napríklad, pravdepodobne viete, že elektróny sa správajú ako roztiahnuté vlny a z chémie tiež možno viete, že dva negatívne nabité elektróny v pohode zdielajú rovnakú úroveň energie atómu alebo molekuly, pokiaľ majú svoje vnútorné spiny orientované opačnými smermi. Takže aj keď elektoróny sa navzájom odpudzujú, ich vlnové kvantá sa môžu prekrývať. Napríklad, pozrite sa na tento obrázok prstenca atómov železa ležiacom na povrchu medi.

Vidíte prekrytie elektrónov? Teraz, nazvali by ste to dotykom? Ak nahliadnete do slovníka, dotyk je zvyčajne definovaný ako fyzický kontakt. No a kontakt je definovaný ako fyzický dotyk. Nie veľmi nápomocné. Ale väčšina ľudí má intuitívnu myšlienku, že dotyk je niečo ako dva pevné objekty tak blízko seba, že už medzi nie je žiadny voľný priestor. Problémom je, že toto nemá nič spoločné s prekrývaním vĺn, čo, ako vieme, je práve ako sa elektróny správajú.

Takže sa zdá, že dotyk je slovo, ktoré je vskutku neschopné opísať momentálny vesmír ako ho chápeme dnes. Buď to, alebo by sme mali zmeniť náš význam slova dotyk tak, aby znamenal interakciu na krátku vzidalenosť, čo sa v skutočnosti deje medzi elektrónmi, keď si sadnete na stoličku. Ale bez ohľadu na to, či sa niečoho dotýkame alebo nie, myslím si, že keď hovoríme o elektromagnetickom odpudzovaní vášho zadku a stoličky, čo sa v skutočnosti snažíme povedať je: Hej! Pamätaj, aké super je, že sme z atómov a molekúl a iní ľudia z atómov a molekúl boli natoľko múdri, aby na to prišli.

Tak, toto sa ma dotklo. Táto epizóda Minute Physics bola vyrobená za pomoci audible.com Vedúcim poskytovateľom audiokníh všetkých typov literatúr, vrátanie fikcie, beletrie a periodík. Veľmi doporučujem 'Surely you're joking, Mr. Feynman' Úžasná a fascinujúca autobiografia vynikajúceho muža a fyzika Richarda Feynmana a túto alebo inú audioknihu podľa vášho výberu sa môžete stiahnuť na audible.com/minutephysics Znova, ďakujem Audible, za to že môžem produkovať Minute Physics a že vám môžem poskytnúť audioknihu zadarmo na audible.com/minutephysics

Má Vesmr nějaký smysl?
Má vesmír nějaký smysl? Nejsem si jistý. Každý, kdo vyjadřuje dokolalejší odpověď na tu to otázku, prohlašuje přístup k vědomostem, které nejsou založeny na empirických znalostech. Tento umíněný, vytrvalý způsob myšlení, běžný u většiny náboženství a některých odvětví filosofie totálně neuspěl v předchozích snahách rozumět, a tímto předpovědět činnost vesmíru a našeho místa v něm. Prohlášení, že vesmír má smysl naznačuje vytoužený výsledek. Ale kdo by toužil?

A co by ten vytoužený výsledek byl? Že život založený na uhlíku je nevyhnutelný? Nebo že cítící primáti jsou neurologickým vrcholem života? Samozřejmě, že my lidé jsme tu nebyli 99,9999% existence vesmíru, abychom kladli tyto otázky. Pokud byl smysl vesmíru stvořit lidi, pak byl vesmír trapně nevýkonný. A pokud další smysl vesmíru bylo stvoření plodné kolébky pro život, pak má naše vesmírné prostředí zvláštní způsob vyjadřování. Život na zemi, během více než 3,5 miliardy let extistence, byl vytrvale atakován přírodními zdroji chaosu, smrti, a destrukce.

Ekologická devastace vynucená sopkami, změnami klimatu, zemětřeseními, tsunami, bouřkami a zabijáckými asteroidy nechala vyhynout 99,9% všech druhů, co tu kdy žily. Co třeba lidský život samotný? Pokud jste věřící, mohl byste prohlásit, že smysl života je sloužit Bohu. Pokud jste ale jedou ze 100 miliard bakterií, žijících a pracujících v každém centimetru vašeho tenkého střeva mohl byste místo toho říci, že smysl lidského života je poskytnout vám temné, ale bezchybé, anaerobní prostředí exkrementů.

Takže při absenci lidské domýšlivosti vypadá vesmír více a více nevypočitatelně. Kdykoli události, které se údajně objevují v našem nejlepším zájmu, jsou stejně četné jako ty ostatní, které by nás stejně rychle zabily, je smysl těžko shledatelný, pokud ne nemožný najít. Takže nemohu prohlásit, že určitě vím, jestli má vesmír smysl, protože důvody proti tomu jsou silně, a viditelné každému, kdo vidí vesmír takový, jaký je, a ne takový, jaký si jej přejí. Jsem Neil deGrasse Tyson. Templetonská nadace mě požádala zpovědět tuto otázku: Má vesmír Smysl?

Časté fyzikální omyly.
Představte si, že do 18 let vašeho života učíte, že Země je placatá. Skrz základní a střední školu slýcháte o ploché Zemi, na které žijete a děláte nudné úkoly z fyziky s plochou Zemí a potom (když máte dost štěstí) se dostanete na vysokou a BUM! Poprvé uvidíte globus a uslyšíte: "Promiňte nám naše lži, ale Země je ve skutečnosti kulatá." Tohle je, naneštěstí, přesně to, co děláme s gravitací. Pravděpodobně jste se učili, že objekty se přitahují kvůli hmotě a proto jste si možná mysleli, že světlo nemůže být ovlivněno gravitací, protože je nehmotné.

Mohu říci, že já jsem si to myslel. A hádejte co? Zdrojem gravitace není hmota - je to energie a rychlost, kterou světlo jistě má (samozřejmě, že normální hmota je také zdrojem gravitace). To znamená, že světlo je ohnuto když míjí hvězdu, planetu, nebo černou díru, ale ještě navíc světlo přitahuje tuto planetu, hvězdu nebo černou díru k sobě (pro informaci, tato síla je velmi malá. Ale malá se nerovná nule). Jádro problému je, že Newtonovy zákony gravitace jsou pouze přiblížení - dost dobré, aby nás dostaly na Měsíc, ale ne přesné.

Obecná relativita je lepší. Speciální relativita Když už jsme u Měsíce, také jste se pravděpodobně učili, že když se ovce pohybuje 2 km/h vzhledem k vlaku, a vlak se stejným směrem pohybuje 2 km/h vzhledem k Zemi, pak se ovce pohybuje rychlostí 4 km/h vzhledem k Zemi. 2 km/h+2 km/h=4km/h, že? LEŽ! Experimenty se speciální relativitou potvrdily, že rychlosti se jednoduše nesčítají, a že se tedy ovce vlastně bude pohybovat opravdu jen o trošku pomaleji než 4 km/h vzhledem k Zemi.

A rovnice, která přesně určuje odchylku ze sčítání rychlostí vypadá takhle: (v1+v2)/(1+v1*v2/c^2). Nemá to velký efekt, ale znovu, země vypadá docela plochá, že? Ale ona není plochá: když se dostanu do vzdálenosti 10 000 kilometrů od mé kočky, a vy budete o 10 000 km dál než já, NEBUDETE vzdáleni 20 000 kilometrů od mé kočky. V reálné situaci byste byli pouze 12 750 km daleko. Největší vzdálenost, na kterou se můžete dostat od ČEHOKOLI na Zemi, je 12 750 km.

Je to "limit zemské vzdálenosti", i když to normálně nazýváme průměr Země. Taktéž, jako když se snažíte sečíst dvě rychlosti, je tu "maximální kosmická rychlost" 300 000 000 m/s - a to je rychlost světla. V rychlosti: jenom protože nám Země připadá plochá, rychlosti vypadají, jako že se dají jednoduše sečíst, a světlo se nezdá býti ovlivněno gravitací, je toto dostatečná výmluva pro klamání nás a našich dětí o pravdivé podstatě věcí?

Je lepší v dešti utíkat, nebo jít?
V tie studené, upršané dni, keď si zabudnete vašu vetrovku do dažďa alebo dáždnik, aby ste sa čo najviac vyhli dažďu... je lepšie kráčať a stráviť viac času v daždi? Alebo by ste mali utekať, čo znamená, že budete narážať viac do kvapiek zo strany? Za predpokladu, že nie ste zatiaľ celkom mokrý a neskáčete do mlák, odpoveď je jednoduchá. Ako sa uhnete jednej z padajúcich kvapiek, dostanete sa do cesty ďalšej. Takže množstvo dažďa, ktorý na vás padá je konštantný, bez ohľadu na to, ako rýchlo idete.

Eventuálne si to môžete predstaviť, že kvapky samotné sú nehybné a vy (a zem pod vami) sa pohybujete hore dažďom! A keďže objem rovnobežnostena (to je 3D rovnobežník) vôbec nezávisí od sklonu, tak potom akokoľvek rýchlo sa pohybujete horizonálne, bude na vás padať rovnaké množstvo dažďa každú sekundu. Teraz, ak sa nehýbete, všetko, čo na vás padá, je dážď zhora. Ale keď sa HÝBETE, tiež narážate do kvapiek zo strany a moknete viac. Takže v každú sekundu ste suchší, tým že stojíte a čím sa rýchlejšie hýbete, tým viac moknete.

Ale keď sa snažíte dostať z bodu A do bodu B, tak státie vám príliš nepomôže. A na ceste z bodu A do bodu B nemá množstvo dažďa, do ktorého narazíte zo strany, nič spoločné s tým, ako rýchlo sa pohybujete – rovnako ako snežný pluh odhrnie rovnako veľa snehu z úseku cesty bez ohľadu na to, ako rýchlo ide. V prípade, že bežíte v daždi, môžete si to za použitia rovnobežnostenov znova vypočítať. Takže za daný čas na vás padne rovnaké množstvo dažďa zhora, bez ohľadu na to, ako rýchlo sa pohybujete.

A za danú vzdialenosť narazíte do rovnakého množstva dažďa zo strany – znova, bez ohľadu na to, ako rýchlo sa pohybujete. Takže vaša celková mokrosť sa rovná mokrosti za sekundu z dažďa z vrchu krát čas, ktorý ste strávili v daždi, plus mokrosť za meter kvôli dažďu zo strany krát počet prejdených metrov. Takže aby ste zostali najsuchší pri prejdení z jedného bodu do druhého, mali by ste sa snažiť minimalizovať množstvo vody, ktoré na vás padá zhora. A to jednoducho znamená, dostať sa z dažďa tak rýchlo, ako je to možné.

Deset důvodů proč víme, že je Země kulatá
10. Všetky ostatné planéty a hviezdy, ktoré vidíme naokolo sú guľaté a nie je žiaden dôvod, ktorý by naznačoval, že Zem by mala byť o niečo iná.

9. Časové pásma. Deň a noc nastávajú v rôznych časoch na rôznych miestach na Zemi – v skutočnosti vždy je niekde deň a niekde inde noc.

8. Coriolisov efekt znamená, že voľne pohybujúce sa veci (ako kanónové gule alebo hurikán) sú vychýlené doprava – ale iba ak ste na sever od rovníka. Ak ste na juhu od rovníka, sú vychýlené vľavo.

7. Trojuholníky. Ak prejdete 10.000 km rovno po zemskom povrchu, otočíte sa o 90° vpravo, prejdete ďalších 10.000 km, znova sa otočíte vpravo a prejdete ďalších 10.000 km, budete späť tam, odkiaľ ste začali, čím ste úspešne spravili trojuholník s troma 90°uhlami. Každý študent geometrie by vám vedel povedať, že toto sa nedá dosiahnuť na rovnom povrchu.

6. Slnko, vo všeobecnosti, klesá viac a viac na nebi ako cestujete preč od rovníka a toto môžete využiť na zmeranie zemského zakrivenia. Vyberte si dve miesta niekoľko stovák kilometrov od seba na priamke sever–juh a na pravé poludnie, zmerajte tiene, ktoré vrhnú vertikálne metrové palice na každom z miest. Dĺžky tieňov môžete využiť na zistenie uhla medzi paličkami a keď započítate to, ako ďaleko sú od seba, dokážete vyrátať zemské zakrivenie.

5. Hviezdy na nebi sa menia, keď idete na sever alebo na juh – napríklad, súhvezdie Orion je dolu hlavou, ak ste v Austrálii!

4. Fernão de Magalhães (a veľa ľudí po ňom) oboplávali Zem. To znamená, že vyplával smerom na západ, pokračoval na západ a vrátil sa odtial, odkiaľ prišiel idúc stále na západ (v skutočnosti, Magalhães bol mŕtvy, ale jedna z jeho lodí – vedená Juanom Sebastiánom Elcanom – dokončila plavbu). Ak pôjdete smerom na západ a sami oboplávate Zem, budete to vedieť povedať, lebo uvidíte o jeden menej východov slnka ako ten, čo zostane doma.

3. Horizont. Lode na oceáne alebo vysoké budovy Chicaga, ktoré sú vidieť cez Michiganské jazero, miznú odspodu. A môžete vidieť západ slnka dvakrát, ak sa naň dívate poliežiačky a potom rýchlo vstanete. Jednoducho, keby bola Zem plochá, nebol by žiaden horizont, za ktorý by mohli veci miznúť, takže by ste videli celé Chicago cez Michiganské jazero... ako aj Skalnaté hory.

2. Počas zatmenia mesiaca, tieň Zeme na mesiaci je zakrivený. A...

1. Vieme, že Zem je guľatá, lebo máme fotografické dôkazy.

Jiné fyzikální omyly
Stavím sa, že ste sa v škole učili, že hybnosť sa rovná hmotnosť krát rýchlosť - ja isto! Avšak pre objekty pohybujúce sa blízko rýchlosti svetla, ako častice vo Veľkom hadrónovom urýchľovači alebo svetlo samotné, táto rovnica už nie je presná. Namiesto toho používame rovnice, o ktorých som rozprával detailnejšie vo videu "E=mc^2 je nekompletné". Ak ich zobreriete ako počiatočnú hodnotu a rovnicu vyriešite pre hybnosť, zistíte, že objekty s hmotnosťou majú hybnosť rovnú ich hmotnosti krát rýchlosti, PREDELENÉ druhou odmocninou z jedna mínus rýchlosť na druhú delené umocnenou rýchlosťou svetla.

Tá časť s odmocninou nehrá veľkú rolu, ak je vaša rýchlosť malá v porovnaní s rýchlosťou svetla, pretože v delené c je veľmi malé a 1 mínus niečo malé je v podstate 1, takže hybnosť (p) je vlastne m.v delené 1, čo je m.v, a to je to, prečo ste sa v škole učili, že hybnosť je hmostnosť krát rýchlosť. Toto isté si fyzici mysleli pred rokom 1905, ale teraz vedia, že to nie je docela pravda... a vy tiež!