Kapitola 1
GRAVITACE A JEJÍ MÍSTO VE FYZICE
1.1. Historický vývoj poznatků o přírodě, vesmíru, gravitaci
1.2. Newtonův gravitační zákon
1.3. Mechanická LeSageova hypothéza podstaty gravitace
1.4. Analogie mezi gravitací a elektrostatikou
1.5. Elektromagnetické pole. Maxwellovy rovnice.
1.6. Čtyřrozměrný prostoročas a speciální teorie relativity

1.1. Vývoj poznatků o přírodě, vesmíru, gravitaci

Gravitace je síla, se kterou je ve formě zemské tíže každý člověk bezprostředně a neustále ve styku od narození po celý život a lidstvo se takto s gravitačními jevy setkává od prvopočátků. Přesto (nebo snad právě proto), podobně jako u většiny základních přírodních jevů, na gravitaci panovaly velmi dlouhou dobu naprosto zcestné názory a můžeme říci, že původ a podstata gravitace není zcela vysvětlena ani nyní. V tomto odstavci si velmi stručně zrekapitulujeme, jak se názory na gravitaci, prostor, čas, hmotu, vesmír a přírodu vůbec, postupně vyvíjely a tříbily od starověku až po dnešek.

Přírodověda ve starověku
Prvopočátky vědy ve starověku vznikaly z pohnutek veskrze pragmatických: systematicky a správně řešit problémy, které život přinášel. Takovými konkrétními problémy byly např. stavby kultovních objektů a budování zavlažovacích systémů, racionální hospodaření a obdělávání půdy, distribuce potravin nebo jiných předmětů a jejich směňování a pod. K řešení takových úkolů bylo třeba naučit se stanovovat vzdálenosti, výškové rozdíly a rozlohy, studovat a předpovídat počasí, počítat a rozdělovat zboží co do kvality i kvantity.

Potřeby směny a distribuce vedly k zavedení základních aritmetických úkonů sčítání, odčítání, násobení a dělení. Tyto operace, které jsou vyjádřením vlastností běžných materiálních objektů, zobrazují (modelují) skutečně probíhající procesy s reálnými tělesy. K určování vzdáleností a velikostí objektů byla zavedena měřítka *), tj. určité standardní předměty, pomocí nichž lze srovnáváním vyjádřit velikosti jiných předmětů. Jinými slovy, množství a velikostem skutečných těles byla přiřazena čísla - jejich počet a rozměry - s nimiž se operovalo podle pravidel aritmetiky a výsledná čísla se zpětně převáděla na odpovídající množství a velikosti reálných předmětů. Takto se v lidské činnosti objevila matematika jakožto nauka o modelech a začalo se (zpočátku podvědomě) používat obecné schéma :

skutečnost ® model ® skutečnost
ň ń
matematika

*) V minulosti lidé volili základní mechanické jednotky pro měření vzdáleností, času a hmotnosti (množství hmoty) podle okolí v němž žili a s použitím předmětů, s nimiž se setkávali. Pro délku to byly nejdříve lidské míry jako "stopa", "loket" nebo "palec", později, když již byl znám tvar a přibližná velikost Země, se délková jednotka "kilometr" stanovila jako 1/40000 délky zemského rovníku, z ní pak "metr". Čas se odvozoval z doby jedné otáčky Země - "den"; ten se rozdělil na 24 "hodin", hodina na 60 "vteřin" (sekund). I když dnes jsou tyto jednotky definovány mnohem přesněji, než pomocí vlastností Země, z historických důvodů zůstaly v zásadě zachovány a jejich fakticky náhodný výběr zastiňuje některé fundamentální vztahy v přírodních zákonitostech, kde se vyskytují složité konstanty, jejichž číselná velikost je dána právě volbou jednotek.

Astronomická pozorování. Astrologie, alchymie; šarlatánství
Již v prehistorických dobách lidé vypozorovali, že periodicky se opakuje nejen den a noc, ale též roční období, přičemž existuje těsná souvislost mezi těmito denními a ročními obdobími a pohybem Slunce, Měsíce a planet po obloze. Nutnost určovat a předpovídat denní a roční období, tj. přírodní podmínky pro zemědělské i jiné práce, proto přirozeně vedla k astronomickým pozorováním a k zavedení jim odpovídajících časových jednotek: den, měsíc, rok (měření času jak krátkodobé - hodiny, tak dlouhodobé - kalendář). V pozorování oblohy ve starověku vynikli zvláště Babylóňané a Egypťané.

Pozorované souvislosti mezi periodickými přírodními ději a pohybem nebeských těles, jejichž příčiny starověcí pozorovatelé neznali, navodily představu, že s polohami a pohyby nebeských těles souvisejí i další jevy na Zemi *) - různé katastrofy, války a dokonce průběhy lidských osudů. Z této falešné představy se vyvinula astrologie, která až do konce středověku byla hlavním motivem astronomickych pozorování. Již Koperníkovy a Keplerovy poznatky a pohybu planet však činily astrologická tvrzení značně nepravděpodobnými: jednotlivé planety se při pozorování z jiné planety - Země - během svého pohybu náhodně promítají do různých souhvězdí (ostatně také náhodně se promítajících) na hvězdné obloze; není důvod připisovat těmto náhodným projekcím jakýkoli reálný vliv na průběh dějů a událostí. Skutečně, od těch dob již vzdělaní lidé většinou v astrologii nevěřili; vzpomeňme jen slova J.A.Komenského: "Astrologové, to nejsou hvězdáři, ale z hvězd lháři ! ". Další přírodovědné poznatky toto stanovisko ještě určitěji potvrdily. Těžko si představit, že zdánlivé projekce Sluncem ozářených planet na náhodné obrazce souhvězdí na obloze by mohly nějak ovlivňovat třebas složitou strukturu makromolekul DNA uvnitř zárodečných buněk druhu homo sapiens na jedné z dalších planet obíhajících kolem Slunce! Astrologie tedy již dávno není vědou, ale může být pěknou hrou, používající astronomické rekvizity...
*) Je zajímavé, že s představami vesmírného působení se opět setkáváme i v moderní fyzice v souvislosti s některými interpretacemi Machova principu, podle nichž lokální fyzikální zákony jsou určeny rozložením a pohybem veškeré hmoty ve vesmíru - viz "dodatek A". S astrologickými představami to však nemá nic společného.

S astrologií úzce souvisela i další falešná cesta *) zkoumání přírody - alchymie, která se na základě některých metafyzických principů a filosofických představ snažila dosáhnout transmutace prvků **) a nalézt univerzální "kámen mudrců". Alchymisté však při svých pokusech (z hlediska tehdy požadovaných cílů zákonitě neúspěšných!) nashromáždili velké množství empirických poznatků, které se později, po opuštění nesprávných alchymistických představ, staly důležitým východiskem pro poznání skutečné podstaty chemického slučování látek - základem pro vybudování chemie.
*) Toto kritické hodnocení se vztahuje jen na přírodovědnou stránku alchymie a astrologie! Některé duchovní a filosofické aspekty, zvláště snaha o jednotné pojetí jsoucna, o duchovní zdokonalování, přeměnu neušlechtilého v ušlechtilé, sloučení umění a vědy, byly na svou dobu na vysoké úrovni a mohou nás oslovovat i dnes. U nynějších zastánců alchymie a astrologie se však často setkáváme s nedorozuměním, souvisejícím se zaměňováním a slučováním chybných přírodovědeckých představ minulosti s hodnotnými duchovními a filosofickými myšlenkami trvalé platnosti.
**) Alchymisté ovšem neměli potuchy nejen o atomech a jejich jádrech, ale nerozeznávali ani prvky a sloučeniny. Látky posuzovali podle jejich vnějších projevů a několika jednoduchých chemických reakcí, které dokázali uskutečnit. Metodami jaderné fyziky dnes dokážeme transmutace prvků uskutečnit - jedná se o jakousi "Jadernou alchymii".

Šarlatánství versus přírodověda
Z myšlenkového podhoubí astrologie, alchymie a náboženských představ vyrůstají i některé novější šarlatánské směry - parapsychlogie označující sama sebe zavádějícím názvem psychotronika, různé představy o auře, kosmické energii, geopatogenních zónách, megalytické legendy, homeopatie a alternativní medicína. Při této příležitosti učiníme stručnou zmínku o těchto znepokojivých omylech, které se paradoxně v posledních desítiletích čím dál častěji vyskytují ve vědomí lidí.
Zasatánci těchto představ často tvrdí, že naši předkové již v dávnověku ("megalytická kultura") znali a využívali tajemnou "kosmickou energii" a disponovali zázračnými schopnostmi. Dnešní vědu obviňují z ignorance, že to neuznává...
Moderní šarlatáni vybavují staré pověrečné představy novými "vědeckými" rekvizitami - mluví, aniž vědí co to je, o kvantech energie, gravitonech, sjednocených interakcích, informačních polích, relativistických efektech a cestování v čase, tachyonech a nadsvětelných rychlostech a řadě dalších pojmů, které si, bez hlubšího prostudování a pochopení, vypůjčili z arzenálu platných teorií současné vědy. Používají počítače a své fantasmagorie šíří pomocí informačních technologií...
Pro většinu šarlatánských směrů je příznačné nedorozumění, s jakým zacházejí s pojmem energie. Mluví se o mentální, životní, psychické, magnetické, vesmírné, božské, éterické, negativní či pozitivní energii, o energetických zónách. Fyzikální význam energie se přitom plete a zaměňuje s běžnou lidovou představou o biologické a psychické (mentální) "energii", která je z faktického hlediska kombinatorickou a biochemickou vlastností uspořádání složitých molekul a jejich systémů v organismu; s fyzikálním pojetím energie nemá nic společného. Nepřekvapuje, že v důsledku takového zmatení pojmů vznikají často velmi bizarní bláboly. Mluví se o různých energetických vysílačích, přijímačích či odrušovačích, zónách, aurách, "energeticky aktivní" vodě a jiných látkách, zázračných energetických vlastnostech pyramid či jiných staveb...
Žádná odění do moderního, zdánlivě vědeckého hávu, nemohou nic změnit na skutečnosti, že všechna tato tvrzení jsou jen zcela nepodloženými doměnkami, pocházejícími z předvědeckého období a z mylných přírodovědných představ minulosti. Nyní jsou tato východiska již dávno vyvrácena. Přesto však vývodům z nich mnoho důvěřivých lidí, s nedostatečně rozvinutým kritickým myšlením, i nadále věří. Nedokáží rozeznat, že zdánlivé úspěchy alternativní medicíny jsou způsobeny placebo-efektem a proklamovaná úspěšnost psychotroniky je ve skutečnosti jen výběrovým efektem - z pravděpodobnosti 50% na 50% jsou neúspěšné případy vyňaty a zapomenuty, zatímco (náhodně) úspěšné případy jsou glorifikovány a široce publikovány. Objektivnímu porovnání a konfrontaci (nezávislé pokusy "naslepo" s následným statistickým vyhodnocením) se šarlatáni většinou důrazně brání; argumentují, že "vědecký dozor" vede k inhibici jejich mentálních schopností, nebo ruší jejich spojení s transcendentnem, kosmickou energií, bohy či démony a pod. Pokud se podařilo některá taková porovnání přece jen uskutečnit (např. vrty pro nalezení vody virgulí), neprokázala se statistická významnost paranormálních jevů.
Racionální postoj ke zprávám o zázracích a nadpřirozených jevech vyjádřil již skotský filosof David Hume (1711-1776) slovy: "Žádné svědectví není s to dokázat zázrak - to by muselo jít o svědectví takového druhu, že jeho mylnost by byla ještě zázračnější než událost, kterou se snaží dosvědčit". Jinými slovy, omyl nebo lež je pravděpodobnější, než zázrak. Tento postoj se někdy označuje jako "Humeova břitva", odřezávající hodnověrné informace od nepravděpodobných a patrně mylných. Uvnitř samotné vědy se pak používají kritéria zvaná "Occamova břitva" a "Popperova břitva" - viz "Vědění: zkušenost + věda. Informovanost - vzdělání - moudrost." v monografii "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
Toto všechno by by ve fyzikálně orientované práci vůbec nestálo za zmínku, kdyby se v posledních letech tyto iracionální představy stále více nešířily... Pro srovnání viz též esej "Věda a náboženství".

Prostor, čas, hmota, vesmír
Při empirickém pozorování přírody a nacházení jejich zákonitostí se utvářely důležité abstraktní pojmy jako je prostor, čas, pohyb, hmota, které jsou jistými obrazy obecných (univerzálních) vlastností jsoucna. Vznikaly snahy dát jednotlivé izolované poznatky do souvislosti, zobecňovat je a extrapolovat. Otázky jako "Kdy a jak vznikl svět (vesmír)?", "Jak velký je vesmír?", "Z čeho je složena hmota?" a pod., jsou zřejmě tak staré, jako je uvědomělé přemýšlení lidí o přírodě.

Jednou ze základnich otázek, které klade filosofie je, kde najít podstatu veškerého jsoucna - základní "prahmotu" (nejjednodušší a nerozložitelnou pralátku) z níž vznikly a z níž jsou složeny všechny věci, rostliny, zvířata a lidé. Starověká filosofie, která do skutečné podstaty věcí a jevů nemohla proniknout, naivně považovala za podstatu některé povrchní a čistě jevové aspekty skutečnosti, založené na bezprostředních smyslových počitcích. Tak byla za základní pralátku považována voda (Thales)*), vzduch (Anaximenes) nebo oheň (Herakleitos). Později byly postulovány čtyři základní (nezávislé a nepřecházející jedna v druhou) pralátky, neboli prvky (živly), z nichž je celý svět vybudován: voda (jako podstata kapalin), vzduch (jako představitel plynného skupenstvi), země (jako nositelka vlastnosti pevných látek) a oheň (jako původce pohyblivosti a proměnlivosti). Spojením těchto čtyř živlů v určitých poměrech mělo vznikat vše, co v přírodě pozorujeme.
*) Ve světle dnešních poznatků však lze říci, že Thales nebyl zase tak daleko od pravdy: podle současné astrofyziky se skutečně všechny prvky utvořily ve hvězdách jadernými reakcemi z vodíku, který vznikl z elementárních částic generovaných při velkém třesku (viz. kap.5).

Toto učení o čtyřech základních prvcích světa bylo rozvinuto zvláště Aristotelem (384-322 př.n.l.), který jej doplnil koncepcí čtyř základních vlastností (podstat), kterými jsou teplo, chlad, vlhkost a suchost. Vzájemným spojením takových "podstat" měly vznikat jednotlivé základní prvky světa (např. voda z vlhkosti a chladu, oheň z tepla a sucha). Podobné představy se udržely až do středověku, kde byly základem alchymie.

Filosofové se zabývali rovněž otázkou, jak je ze základních prvků hmota sestavena. Co se týče struktury hmoty, jsou v podstatě dvě možnosti: buď je hmota spojitá (neomezeně dělitelná), nebo se skládá z určitých malých "zrníček" (atomů), které jsou již dále nedělitelné. Ve starověku nebylo možno mezi těmito dvěma možnostmi nijak spolehlivě rozhodnout, takže v různých filosofických školách se razily obě koncepce. Nauku o atomech rozvinul hlavně Demokritos (asi 460-370 př.n.l.), který nutnost existence dále již nedělitelných atomů odůvodňoval tím, že při neomezené dělitelnosti by nakonec nezbylo nic, co by mohlo být nositelem vlastností dané látky. Tato spekulativní úvaha je založena na předpokladu, že dělením se vlastnosti látek nikdy nemění a že látka sama je nositelem všech svých vlastností. Filosofická theze o strukturnosti hmoty je téměř všeobecně přijímána v metodologii přírodních věd.

Gravitace a vesmír ve starověku
V nejstarších dobách, před začátkem uvědomělého zkoumání přírody, lidé zřejmě o gravitaci nijak nepřemýšleli; byla natolik běžná a všední, že si na ni lidé zvykli a nevšímali si jí. Zemskou tíži chápali jako naprostou samozřejmost a přirozenou snahu předmětů padat dolů k zemi. Poznávání toho, čemu dnes říkáme gravitace, bylo dříve spojeno ponejvíce s astronomií. Astronomie a filosofie vůbec (veškeré učení o přírodě bylo tehdy součástí filosofie) dosáhla zvláště vysoké úrovně v období antické řecké kultury. Některé antické filosofické školy (reprezentované Thalesem Miletským, Pythagorasem, Aristarchosem, v Indii pak Arjabhátou) tehdy měly kupodivu poměrně realistický obraz o tvaru, rozmístění a pohybu blízkých planet (včetně Země) kolem Slunce *).
*) Názory na skutečnou úroveň starověké vědy se někdy různí. Vyskytují se senzační tvrzení o využívání elektřiny a atomové energie a o znalostech vzdáleného vesmíru u starověkých civilizací. Tato trvzení jsou však naprosto nepodložená. Odkaz starověkých myslitelů je totiž natolik bohatý a obsáhlý, že mezi stovkami a tisíci myšlenkami a výroky (často vzájemně protichůdnými) lze najít i takové, které se, víceméně náhodně, shodují se závěry moderní vědy. Do těchto tvrzení pak někdy vkládáme smysl, kterému by se jejich autoři asi velice podivili.

Rozvoj přírodních věd, především astronomie a celkového světového názoru, na dlouhou dobu výrazně (a bohužel převážně negativně) ovlivnilo učení nejvýznamnějšího představitele řecké filosofie - Aristotela. Toto učení bylo vrcholem antické naturfilosofie. Aristoteles vyšel ze základních smyslových zkušeností z pozemského života, že těžká tělesa se snaží padat dolů k zemi, zatímco "lehké" objekty jako dým nebo oheň stoupají vzhůru. Na základě toho Aristoteles vyhlásil koncepci "přirozených míst" a "přirozených pohybů": přirozeným místem těžkých látek (zeminy a vody) je "být dole", přirozené místo lehkých látek (ohně a vzduchu) je "nahoře". Těchto přirozených míst dosahují tělesa svými "přirozenými pohyby", které trvají jen potud, než je dosaženo přirozeného místa. Přirozeným pohybem zeminy a vody je klesat dolů, přirozeným pohybem vzduchu a ohně je stoupání vzhůru *). Všechny jiné pohyby jsou vynuceny vnější silou.
*) Filosofickou thezi, že "podobné směřuje k podobnému", vyslovil jíž Platón, který tak vysvětloval skutečnost, že hmotná tělesa padají k zemi.

Tato koncepce spolu s předpokladem, že Vesmír má jen jeden střed tíže, vedla Aristotela k následujícímu obrazu světa: ve středu vesmíru stojí nehybná Země, v níž se shromáždila nejtěžší hmota vesmíru - zemina a voda (Země je složena ze zeminy a vody nacházejících se na svém přirozeném místě, takže je v klidu). Vesmír (tj. Země a okolí) se skládá z jednotlivých sférických vrstev: zemina, voda, vzduch, oheň. Všechna nebeská tělesa jsou složena z nejlehčí a "nejdokonalejší" látky - éteru - a vykonávají "dokonalý" rovnoměrný kruhový pohyb po jakýchsi sférách, jimiž jsou neseny. V Aristotelově pojetí je tedy vesmír složen ze dvou diametrálně odlišných částí: pozemské a nebeské.
Co se týče pohybu jako takového, Aristoteles učil, že tělesa se pohybují jen tehdy, když jsou poháněna nějakou silou (vůz tažený oslem se zastaví, když osel přestane táhnout). Setrvačnost Aristoteles neznal, protože neprováděl pokusy a nedokázal dostatečně snížit nebo odmyslit si tření. O pádu těles k zemi Aristoteles tvrdil, že rychlost pádu tělesa je úměrná jeho váze; tento chybný závěr opět vznikl na základě běžné zkušenosti, že lehká řídká tělesa padají daleko pomaleji než hutná těžká tělesa.

Aristotelovu geocentrickoou kosmologii dále propracoval Ptolemaios (asi 100-160n.l.), který rozpory mezi předpokládaným dokonale rovnoměrným pohybem a pozorovanými nepravidelnostmi pohybu planet spolu se změnami jejich jasnosti (svědčícími o změnách vzdáleností mezi Zemí a planetami) vyřešil hypothézou, že skutečné pohyby planet vznikají skládáním dvou nebo více rovnoměrných kruhových pohybů (tzv. deferentu, epicyklu a ekvantu). Ptolemaios tak dosáhl poměrně dobré shody s astronomickými pozorováními, ovšem za cenu značné složitosti a vyumělkovanosti. Aristotelovo-Ptolemaiovo geocentrické učení bylo pak kanonizováno církví a udrželo se jako dogma po celý středověk; rozvoj astronomie a přírodních věd tím byl zbrzděn po dobu více než tisíce let.

Rozvoj vědecké astronomie a fyziky
Heliocentrický systém
První významný průlom do tak dlouho vládnoucí zcestné koncepce stavby vesmíru učinil M.Koperník (1473-1543), který si všiml, že pozorované pohyby Slunce a planet se daleko jednodušeji a přirozeněji vysvětlí předpokladem, že nehybným středem vesmíru je Slunce, kolem něhož obíhají planety a Země. Sestavil tak heliocentrický systém a ukázal, že Země je jen jednou z ostatních obíhajících planet; Země se kromě toho otáčí s denní periodou kolem své osy, což tvoří zdání, že všechna vesmírná tělesa, hvězdy a planety, kolem ní obíhají. Tím dal základ k odstranění nesmyslného rozporu mezi "pozemským" a "nebeským" a ke sblížení astronomie s ostatní přírodovědou, především s fyzikou. Poznání, že Země (a jak se později ukázalo, ani sluneční soustava, ani naše Galaxie) nemá žádné privilegované místo ve vesmíru, se nazývá "Koperníkův princip" a hraje důležitou roli v současné kosmologii (kap.5, §5.1"Základní východiska a principy kosmologie").

Koperník si rovněž uvědomil, že není zřejmě správné předpokládat jen jeden střed tíže ve vesmíru, ale že každé těleso by mělo mít svou vlastní tíži. U Koperníka se tak setkáváme již s náznakem realistického pojetí tíže jako snahy těles a jejich částí spojovat se v celek, tj. s náznakem pojetí všeobecné gravitace. Na Koperníkovu koncepci navázal J.Bruno (nekonečnost světa v prostoru i čase, stejná povaha stálic a Slunce) a zvláště J.Kepler (1571-1630), který na základě astronomických pozorování zformuloval své tři důležité zákony pohybu planet kolem Slunce (§1.2). Kepler tušil, že příčinou těchto pohybů planet je síla vycházející ze Slunce, avšak vzhledem k neznalosti mechaniky nemohl dospět ke správnému vysvětlení; to později podal Newton.

Experiment - zrod vědecké fyziky a přírodovědy
Rozhodujícím způsobem přispěl k rozvoji astronomie a fyziky Galileo Galilei (1564-1642), kterého lze považovat za zakladatele fyziky jako vědecké discipliny. Zavedl totiž do fyziky experiment jakožto rozhodující nástroj poznání. Na základě jednoduchých pokusů s pohyby těles Galilei zformuloval zákon setrvačnosti (který popřel Aristotelovo učení o pohybu), skládání pohybů a rovněž dospěl k principu relativnosti pohybu (viz §1.2 a §1.6). Stal se tak průkopníkem mechaniky pohybu těles, především kinematiky. V astronomii a kosmologii byl Galilei rozhodným stoupencem Koperníkova heliocentrického systému, který svými objevy s použitím dalekohledu rozhodujícím způsobem podpořil.
Galilei je též prvním učencem v historii, který přímo a významným způsobem přispěl k poznání gravitačních jevů. Svými experimenty s volně padajícími tělesy (údajně z nakloněné věže v Pise) dospěl totiž k proslulému zákonu volného pádu, podle něhož při volném pádu všechna tělesa padají k zemi s konstantním zrychlením, které je nezávislé na váze (hmotnosti) a složení tělesa. Vyvrátil tím Aristotelovu koncepci o přirozených pohybech nahoru nebo dolů: jedná se vždy o pohyby těles pod vlivem tíže, avšak v prostředí s větší nebo menší hustotou. Zákon volného pádu, zobecněný na princip univerzálnosti gravitačního působení a princip ekvivalence, se stal jedním z hlavních východisek moderní fyziky gravitace - Einsteinovy obecné teorie relativity (viz kap.2, zvláště §2.2 "Univerzálnost - základní vlastnost a klíč k pochopení podstaty gravitace").

Rozhodujícím mezníkem ve vývoji fyziky, astronomie a přírodní vědy vůbec, byl Isaac Newton (1642-1727). Newton především navázal na Galileiho poznatky a vybudoval mechaniku, v níž přesně zformuloval a matematicky vyjádřil tři základní pohybové zákony (§1.2). Dále objevil základní zákony hydrodynamiky, akustiky a optiky. Svou epochální práci pak Newton završil tím, že sloučil svoji a Galileiho mechaniku pohybu pozemských těles s Keplerovou kinematikou pohybu planet, čímž dospěl ke svému skvělému zákonu všeobecné gravitace a k vytvoření dynamiky sluneční soustavy; k tomu podrobněji v §1.2 "Newtonův gravitační zákon". Dílem I.Newtona skončila v přírodovědě předvědecká doba mylných dohadů a dogmat a nastupuje období vědeckého zkoumání, precizních experimentů a logického myšlení. Newtonovská fyzika též umožnila nový realističtější pohled na vesmír.

Elektrodynamika, atomová fyzika, teorie relativity, kvantová fyzika
V polovině 18.století byl vývoj mechaniky zdánlivě ukončen. Fundamentální fyzika se soustřeďovala na zkoumání dalších fyzikálních jevů - tepelných a hlavně elektrických a magnetických.
Elektřina a magnetismus   
Na tomto místě bude možná užitečné stručně zrekapitulovat vývoj poznatků o neobyčejně důležitých přírodních jevech elektrických a magnetických. První pozorování elektrických (elektrostatických) jevů pochází již z antického Řecka. U předmětů z jantaru, což je přírodní zkamenělá pryskyřice z níž se zhotovovaly šperky a ozdobné předměty, se při tření pozorovalo přitahování drobných lehkých tělísek - vlasů, pírek, příze (Thales Milétský v 6. stol. př. n. l. popsal, že jantarový nástroj, který se používal při předení lnu, začal k sobě přitahovat různá drobná tělíska, zatímco vlákna lnu se začala vzájemně odpuzovat). Jantar se řecky nazývá elektron (elektron), což dalo později souhrnný název všem těmto jevům (název elektricitas odvozený od jantaru použil W.Gilbert při studiu statické elektřiny, přesto že při tření pozoroval přitažlivé síly i u některých jiných materiálů, především u skla). Po dlouhá staletí tyto jevy sloužily jen jako zajímavost pro eskamotérské demonstrace, o jejich příčině a podstatě se nic nevědělo.
   Jen se zjistila existence dvou druhů elektrických nábojů (nazvaných konvenčně kladné "+" a záporné "-"), přičemž náboje stejného druhu se odpuzují a opačného druhu přitahují. Později byl vysloven zákon zachování elektrického náboje (B.Franklin). Ch.A.Coulomb v r.1784 s pomocí citlivých torzních vah vlastní konstrukce měřil vzájemné silové působení elektrických nábojů (nezávisle se těmito pokusy zabývali Priestley a Robinson) a objevil základní zákon elektrostatiky - Coulombův zákon (1.20b), podobný Newtonovu gravitačnímu zákonu (porovnání zákonů elektrostatiky a gravitace je podrobně rozebíráno v §1.4 "Analogie mezi gravitací a elektrostatikou").
   V r.1789 Galvani při svých známých pokusech s žabími stehýnky pozoroval stahování svalů při dotyku o železné zábradlí - nepřímo pozoroval biologické účinky vybíjení elektrických nábojů, tj. elektrického proudu (tehdy se ještě rozlišovalo mezi elektřinou "galvanickou" a vyrobenou třením). V r.1799 A.Volta poprve zkonstruoval zdroj "galvanického proudu" - elektrochemický Voltův článek; ukázalo se že tento proud je stejného původu jako "vybíjecí proud" vznikající po krátkou dobu při vodivém spojení opačně nabitých vodičů. Elektrochemické zdoje - Voltovy články sestavované do baterií - umožnily studovat trvalé procházení elektrického proudu vodiči, sestavovat první elektrické obvody.
   Zcela odděleně a nezávisle na jevech elektrických se pozorovaly další jevy "záhadného" silového působení - jevy magnetické. Již ve starověku bylo pozorováno, že některé nerosty se vzájemně přitahují nebo odpuzují a že přitahují železné předměty. V tomto směru nejvíce proslula železná ruda těžená u města Magnesie v Malé Asii; tato ruda (je to oxid železa Fe₃O₄) byla nazvána magnetovec, což dalo souhrnný název magnetickým jevům. Při umístění na korkový plovák na vodě, nebo při zavěšení na nit, se u této magnetické rudy pozorovalo její natočení vždy stejným směrem - jedním koncem na sever a druhým na jih. Byly tak vytyčeny dva magnetické póly - severní a jižní; magnetické "střelky" našly důležité uplatnění v kompasech (Číňané používali takovýto magnet již před 4000 lety k určování správného zeměpisného směru při cestování). V Evropě se pokusy s magnety podrobně zabýval kolem r.1600 anglický lékař W.Gilbert. Podobně jako u jevů elektrických, ani o podstatě magnetických jevů neměl do konce 18.stol. nikdo ani tušení (fluidová představa neurčitě hovořila o severních a jižních "magnetických množstvích", které se však na rozdíl od elektrických nábojů od sebe nedají oddělit).
   První důležitý průlom do podstaty magnetických jevů a jejich souvislostí s jevy elektrickými začal náhodným objevem H.Ch.Oersteda v r.1820, který si při pokusech s elektrickými obvody všiml, že se magnetická střelka vychyluje v blízkosti vodiče, kterým prochází proud - tedy že elektrický proud způsobuje vznik magnetického pole úplně stejně, jako kdyby místo vodiče s elektrickým proudem byl přiložen permanentní magnet. Ukázalo se postupně, že záhadné magnetické působení, které bylo do té doby doménou jen přírodních látek, permanentních magnetů, má patrně elektrický původ - vzniká pohybem elektrických nábojů. A magnetické pole zase silově působí na pohybující se náboje, na elektrické proudy.
   To zanedlouho ještě určitěji ukázaly experimenty A.Ampéra (1775-1889), který objevil zákon vzájemného silového (magnetického) působení elektrických proudů. Biot a Savart v r.1820 měřili intenzitu magnetického pole v okolí vodiče protékaného el. proudem, tyto výsledky pak dále zobecnil Laplace - vznikl Biot-Savart-Laplaceův zákon (1.33a) udávající závislost intenzity magnetického pole buzeného proudem v elementu vodiče na velikosti proudu a na vzdálenosti. Tyto zákonitosti vedly ke konstrukci "umělých magnetů" napájených elektrickým proudem - elektromagnetů. Magnetismus permanentních magnetů později vysvětlila atomistika.
Dalším klíčovým poznatkem byl zákon elektromagnetické indukce objevený v r.1831 M.Faradayem, podle nějž časová změna magnetického pole vyvolává (indukuje) elektrické pole, přičemž indukované napětí je úměrné rychlosti časové změny magnetického toku plochou uvažované smyčky vodiče - vztah (1.37a). Tyto poznatky se staly nejen základem elektrodynamiky (sloučení nauky o elektřině a magnetismu), ale i praktického použití elektromagnetických jevů - vznikla elektrotechnika.
   Faraday dále na základě svých pokusů vyslovil myšlenku, že elektrické a magnetické silové působení neprobíhá bezprostředně od jednoho náboje k druhému, ale šíří se prostředím ležícím mezi nimi. Položil tím základy učení o elektromagnetickém poli, které dále rozpracoval, zobecnil a matematicky zformuloval J.C.Maxwell (1831-1879) v šedesátých letech minulého století. Teorie elektromagnetického pole přivedla Maxwella k poznatku o konečné rychlosti šíření elektromagnetického působení rovné rychlosti světla *), k předpovědi elektromagnetických vln a k hypothéze o elektromagnetické povaze světla. Experimenty H.Hertze a jeho následovníků, které prokázaly existenci elektromagnetických vln a zjistily některé jejich vlastnosti, plně potvrdily správnost Maxwellovy teorie. Teorie elektromagnetického pole je z fyzikálně-matematického hlediska rozebírána v §1.5 "Elektromagnetické pole. Maxwellovy rovnice".
*) Rychlost světla je ve srovnání se všemi ostatními pozemskými rychlostmi neobyčejně velká (miliónkrát větší než rychlost zvuku ve vzduchu), takže v dřívějších dobách ji nebylo snadné přesněji změřit (byla často považována za nekonečnou). První přibližné stanovení bylo provedeno astronomicky v r.1675 při pozorování zatmění Jupiterových měsíčků, avšak reálné změření rychlosti světla s použitím pozemských zdrojů a opticko-mechanických prostředků provedl Fizeau až v r.1849. Při tomto klasickém experimentu se paprsek světla při odrazu od zrcadel nechal procházel tam a zpět přes zuby rotujícího ozubeného kola. Při zvyšování otáček ozubeného kola bylo pozorováno, že při určité frekvenci otáček odražený paprsek ozubeným kolem již neprošel - paprsek, který projde mezerou mezi zuby kola, se po překonání vzdálenosti k zrcadlu, odrazu a překonání vzdálenosti zpět, vrátí do prostoru ozubeného kola až tehdy, když se kolo otočí o takový úhel, že místo mezery je v dráze paprsku již zub. Je-li vzdálenost mezi ozubeným kolem a odrážejícím zrcadlem d a ozubené kolo rotující frekvencí f má po obvodu N zubů, platí mezi rychlostí světla c a první frekvencí f, kdy odražený paprsek přestane procházet, jednoduchý vztah c = 4.d.f.N (koeficient 4 vzniká z toho, že vzdálenost d je překonávána dvakrát a doba otočení kola z mezery na zub je ¹/_2.f.N).
V dalších experimentech bylo měření rychlosti světla postupně zpřesňováno, nynější hodnota činí 299 792,458 km/sekundu pro vakuum. V látkových optických prostředích je rychlost světla o něco nižší a poněkud závisí na vlnové délce světla (tzv. disperze). Např. ve vodě rychlost světla pro červené světlo činí (zaokrouhleně) 226000km/s, pro fialové 223000km/s.
Rychlost světla nezávisí na rychlosti pohybu zdroje. Měření Michelsona a Morleye v r.1881 až 1904 (měřili rychlost světla ve směru a proti směru pohybu Země) dokonce ukázala, že rychlost světla ve vakuu nezávisí na pohybovém stavu zdroje ani pozorovatele - je stejná ve všech inerciálních soustavách, ať se pohybují vzájemně jakoukoli rychlostí. Tato skutečnost, vyjádřená v principu konstantní rychlosti světla, se stala základem speciální teorie relativity a tím i celé relativistické fyziky.

Klasická Faradayova, Ampérova a Maxwellova elektrodynamika je teorií makroskopickou a fenomenologickou - výborně popisuje vlastnosti elektrických a magnetických polí ve vakuu i v látkových prostředích, jejich časové změny a vzájemné přeměny. Nepřihlíží však k detailům struktury hmoty, k povaze vlastních a základních "nositelů" elektrických a magnetických sil. První "mikroskopickou" teorii elektromagnetismu vypracoval v r.1895 H.A.Lorentz, avšak plné pochopení vztahů mezi elektromagnetismem a stavbou hmoty umožnil až rozvoj atomové a jaderné fyziky - viz níže.

Velkým stimulem pro rozvoj fyziky v průběhu 19.století byly technické problémy vznikající při průmyslové revoluci. Vznikaly tak zásadní objevy, které daly fyzice charakter ucelené vědy.
Některé metodologické otázky stavby fyziky a jejího začlenění do ostatní přírodovědy, i do kontextu vědeckého poznání vůbec, jsou diskutovány v §1.0 "Fyzika - fundamentální přírodní věda" monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".

Mikrostruktura hmoty - atomová fyzika
Výzkum elektrických jevů otevřel na přelomu 19. a 20.století dveře i k pochopení jedné z nejzákladnějších nevyřešených otázek - stavby a složení hmoty. A zase naopak, odhalení základních stavebních částic hmoty umožnilo lépe pochopit povahu a původ elektrických sil.
   Když koncem 19.stol chemikové (především J.Dalton) znovu oživili představu atomů, o povaze a stavbě samotných atomů se prakticky nic nevědělo. Faradayovy pokusy s elektrolýzou v r.1836 naznačovaly, že chemické slučování má hodně společného s jevy elektrickými. V r.1895 J.J.Thomson při pokusech s výboji v plynech objevil elementární částici nesoucí záporný náboj - elektron a navrhl první představu atomu ("pudinkový model"). E.Rutheford spolu s Geigerem a Marsdenem provedli v r.1911 důležitý experiment s rozptylem částic a, který vedl k objevu atomového jádra a dal vznik planetárnímu modelu atomu. V r.1913 N.Bohr doplnil planetární model o tři kvantové postuláty; takto vzniklý Bohrův model atomu je s určitými modifikacemi používán dosud.
   Atomová a jaderná fyzika ukázala, že původ elektrických a magnetických sil tkví v základních elementárních částicích tvořících hmotu - v elektronech a protonech, které jsou nositeli záporných a kladných elektrických nábojů. Vysvětluje i všechny elektrické a magnetické vlastnosti látek, m.j. i příčinu magnetických vlastností permanentních magnetů. Atomová fyzika dále vysvětluje mechanické a optické vlastnosti látek a především chemické slučování - podstatou chemického slučování jsou elektrické přitažlivé síly mezi atomy, které si při dostatečném vzájemném přiblížení sdílejí část obalových elektronů ve valenční slupce.
O stavbě atomů a atomových jader je podrobněji pojednáno §1.1 "Atomy a atomová jádra" monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření". Pro objasnění vlastností atomů a atomových jader sehrály rozhodující úlohu výzkumy v oblasti radioaktivity (objevené v r.1896 H.Becguerelem) a ionizujícího záření - viz §1.2 "Radioaktivita" a §1.6 "Ionizující záření" v tomtéž pojednání.

Živá příroda - biologie
Souběžně s fyzikou, astronomií, chemií a ostatními vědami o neživé přírodě, docházelo od 18.stol. k významným objevům i v biologii - vědě zkoumající živé organismy. Dřívější popisné zkoumání vnějších projevů a často náhodných podobností, bylo vystřídáno systematickým zkoumáním stavby, vývoje, metabolismu, druhového členění a vzájemných vztahů živých organismů. Základem biologie se stala nauka o stavbě a činnosti buňky jakožto základního stavebního kamene organismů (podrobněji "Buňky - základní jednotky živých organismů").
   Důležitou okolností pro správné chápání života bylo opuštění tzv. vitalismu - předpokladu, že složité "organické" látky vznikají působením jakýchsi specifických "vitálních sil", které jsou vlastní pouze živým organismům (jsou odlišné od sil ovládajících neživou přírodu). Pečlivé fyzikálně-chemické výzkumy s naprostou jistotou ukázaly, že ani jeden atom v jakémkoli živém organismu se nijak neliší od příslušného atomu v neživé "anorganické" přírodě. Rovněž všechny složité "organické" molekuly v organismech mohou být (aspoň v principu) připraveny syntézou anorganických atomů vodíku, uhlíku, kyslíku, dusíku, síry, fosforu a příp. dalších. To, co činí organismus živým, není nějaká tajemná "životní-vitální síla", ale úžasná kombinace a souhra nesčetných chemických a biofyzikálních procesů, které se v živém organismu odehrávají. Je to způsobeno především schopností uhlíku vytvářet neobyčejnou rozmanitost sloučenin. Atomy uhlíku se mohou spojovat navzájem a s jinými atomy nejen do jednoduchých molekul (lineárních nebo cyklických), ale i do řetězců, které mohou mít stovky, tisíce až miliony článků - vytvářet makromolekuly. Při zástavě životních funkcí - smrti organismu - se žádný z jeho atomů "neztratí", ztratí se jen koordinace zmíněných složitých procesů; a mnohé složité "organické" molekuly se posléze rozloží na jednodušší.
   Biologické děje v buňkách i v celém organismu jsou tedy založeny na chemických reakcích především složitých organických sloučenin uhlíku, vodíku, kyslíku, dusíku, síry, fosforu a dalších prvků. Byla rozpoznána struktura buněčného jádra a úloha deoxiribonukleové kyseliny (DNA) jako nositele informace v buňkách, vypracovány jsou i základní rysy evoluční teorie. Procesy v živých organismech jsou natolik složité, že toho zatím zůstává mnoho neznámého. Přesto však aplikace fyzikálních a chemických poznatků na molekulární a atomární úrovni umožňuje v biologii postupně chápat čím dál složitější podrobnosti a souvislosti a začleňuje tuto vědu plně do kontextu ostatní přírodovědy.

Teorie relativity, kvantová fyzika
Fyzika 17. a 18.století se snažila všechny jevy vysvětlovat pomocí mechanických modelů - pohybů ať již atomů a molekul (kinetická teorie tepla, hydrodynamika, termodynamika) nebo pružného "éteru" *) - nositele elektromagnetických jevů. Na konci 19.století se zdálo, že téměř všechno ve fyzice je v zásadě rozřešeno; zbýval jen problém éteru, nejasnosti kolem spektra záření "absolutně černého" zahřátého tělesa (vedoucí k tzv. "ultrafialovému paradoxu") a některých vlastností fotoelektrického jevu. Snahy o rozřešení problému záření absolutně černého tělesa, spolu s výzkumy v atomistice, vedly k vytvoření kvantové fyziky - viz např. pasáž "Korpuskulárně- vlnový dualismus" v §1.1 "Atomy a atomová jádra" monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření". Problematika éteru se stala odrazovým můstkem k vytvoření teorie relativity.
*) Problematika éteru je stručně diskutována na konci §1.5 "Elektromagnetické pole. Maxwellovy rovnice".

Jak se hromadily podrobnější experimentální poznatky, narážely mechanistické modely a představy klasické fyziky vůbec, na stále větší obtíže. Projevovalo se to zvláště při zkoumání mikrosvěta, které začalo koncem 19.století. Při pozorování pohybu rychlých elektronů v elektrických a magnetických polích (kterým se zabýval zvláště Lorentz) se zjistilo, že klasická Newtonovská mechanika zde již není v souladu s experimentem. Byly vyslovovány různé částečné hypothézy, až nakonec novou a obecnější mechaniku, dobře popisující i velmi rychlé pohyby částic, vybudoval A.Einstein v rámci své speciální teorie relativity. Speciální teorie relativity (§1.6 "Čtyřrozměrný prostoročas a speciální teorie relativity") je spolu s kvantovou mechanikou nejdůležitější a nejvšestrannější mezioborovou teorií dnešní fyziky; je též "odrazovým můstkem" obecné teorie relativity jakožto fyziky gravitace a prostoročasu.
Nové pojetí síly ve fyzice 
Ústředním pojmem v klasické fyzice je síla, která vystupuje v pohybových zákonech jako příčina dynamických změn; umožnuje předpovídat pohyby těles. Síla dobře funguje jako veličina při matematickém popisu přírodních dějů, avšak "fyzikální" definice podstaty síly není nijak snadná (v klasické fyzice je tautologická - takže jsme zde vlastně nevěděli, co je síla...). Moderní fyzika přinesla dva pohledy na podstatu síly:
1. Obecná teorie relativity vysvětluje gravitační sílu jako geometrický projev zakřiveného prostoročasu: Každé těleso kolem sebe zakřivuje prostoročas a v tomto "zdeformovaném" prostoročase se tělesa pohybují po geodetických drahách. To vzbuzuje dojem silového působení. Např. planety obíhají kolem Slunce ne proto, že na ni působí "fyzikální" gravitační síla, nýbrž proto, že Slunce ve svém okolní zakřivilo prostoročas a oběžná (kruhová či eliptická) dráha je "nejrovnější" dráhou v tomto zdeformovaném prostoročasu.
2. Kvantová teorie pole vysvětluje vzájemnou interakci částic tím, že tyto částice si neustále mezi sebou vyměňují virtuální intermediální "polní" částice. U elektromagnetické interakce jsou to fotony, pro silnou interakci jsou polními částicemi gluony, u slabých interakcí jsou to intermediální bosony W⁺,W^-, Z⁰.
  Je naděje, že tento poněkud "schizofrenní" pohled na podstatu síly se v budoucnu sjednotí v unitární teorii všech 4 interakcí. - "teorii všeho".

  Zkoumání zákonitostí mikrosvěta nesmírně obohatilo a prohloubilo poznatky o struktuře hmoty. Pro objasnění vlastností prostoru a času, stejně jako pro pochopení podstaty gravitace, však fyzika mikrosvěta přinesla zatím velmi málo. Je však naděje, že se to v budoucnu změní. Kvantová teorie gravitace a zvláště unitární teorie pole po svém úspěšném završení patrně spojí kvantovou fyziku, elektrodynamiku, jadernou a částicovou fyziku s gravitací, s teorií prostoru a času (kap. B "Unitární teorie pole a kvantová gravitace").

Široké spektrum velikostí objektů našeho světa, zkoumaných různými obory fyziky a přírodovědy pomocí různých nástrojů

Elektromagnetické záření - základní zdroj informací o vesmíru
Prakticky veškeré informace o tělesech a procesech ve vesmíru získáváme prostřednictvím elektromagnetického záření. Původně to bylo viditelné světlo, nyní k tomu přistupují i elektromagnetické vlny jiných délek - radiovlny, infračervené, ultrafialové, X i gama záření *).
*) Je dobré si uvědomit. že viditelné světlo z hvězd a dalších objektů ve vesmíru je několikrát přeměněné záření pocházející původně z nukleárních a subnukleárních procesů o mnohem vyšších energiích, odpovídajících primárně záření g.
V poslední době se perspektivním jeví i "pozorování" vesmíru pomocí jiných druhů záření - neutrin (viz "Neutrina"), protonů a dalších částic v kosmickém záření (viz "Kosmické záření"), gravitačních vln (§2.7 "Gravitační vlny").
Elektromagnetické záření přináší z vesmíru informace dvojího druhu, podle způsobů jeho detekce a analýzy:
¨ Optické zobrazení
Vizuálním pozorováním a optickým zobrazením můžeme získat informace o poloze jednotlivých objektů (s daným rozlišením), jejich relativní intenzitě (jasnosti) a příp. některých detailech jejich struktury. Na základě změny polohy v čase můžeme sledovat pohyby těles a stanovovat jejich rychlosti. Toto je však možné pouze u nejbližších vesmírných těles - planet ve Sluneční soustavě. Hvězdy, mlhoviny, galaxie a další útvary jsou natolik vzdálené, že přímé pozorování změny jejich poloh v čase a jejich rychlostí není možné.
Vizuální, fotografické a optoelektronické zobrazení
V dřívějších dobách, do poloviny 19.stol., astronomové trávili noci u svých dalekohledů, v jejichž okuláru pozorovali svýma očima. Později, do poloviny 20.stol., byly do ohnisek astronomických dalekohledů umisťovány fotografické desky a filmy, na nichž se po delší expozici (někdy i několikahodinové) a vyvolání zobrazovaly i velmi slabé objekty, prostým okem zcela nepozorovatelné. V ohniscích nynějších velkých astronomických dalekohledů jsou instalovány optoelektronické snimače obrazu (nejnověji na bázi CCD elementů). Obraz se elektronicky zaznamenává v paměti počítačů a zobrazuje se na obrazovkách, často včetně počítačového zpracování obrazů.
Radioteleskopické zobrazení
Viditelné světlo tvoří jen velmi úzké okénko ve spektru elektromagnetického záření a navíc oblaka mezihvězdného prachu jsou pro videtelné světlo neprůhledná (světlo se zde rozptyluje a pohlcuje). V tomto ohledu jsou výhodnější radiovlny vlnových délek řádově milimetry až desítky centimetrů. Toto radiové záření hojně vzniká v prostředí proudících plynů (s turbulencemi a rázovými vlnami) mechanismy brzdného a synchrotronového záření, při pohybu nabitých částic v magnetickém poli vysokou rychlostí po zakřivených drahách. Do rádiové submilimetrové oblasti spektra je též díky expanzi vesmíru posunuto záření nejvzdálenějších galaxií a reliktní záření z období oddělení záření od látky. Radiové záření je velmi dobře měřitelné fokusovanými ("parabolickými") anténami - radioteleskopy. Úhlová rozlišovací schopnost je tím lepší, čím větší je průměr přijímací antény. Zvětšování velikosti antén má však své technické meze. Velmi perspektivní je však metoda radioastronomické interferometrie: signál se přijímá zároveň dvěma nebo více "spřaženými" anténami, elektronicky propojenými v koincidenci, rozmístěnými na různých místech ve větší vzdálenosti od sebe. Výsledný obraz se získává elektronickou rekonstrukcí amplitud a fází signálů z různých antén. Rozlišovací schopnost takové interferometrické soustavy je dána vzájemnou prostorovou vzdáleností přijímacích antén, nikoli vlastní velikostí těchto antén (na velikosti antén závisí pouze citlivost příjmu radiovln). Při rozmístění antén do velkých vzdáleností (interferometrie s velmi dlouhou základnou - umístění antén na různých kontinentech či dokonce ve vesmíru) lze dosáhnout velmi dobrou úhlovou rozlišovací schopnost.
¨ Spektrální analýza
Elektromagnetické vlnění v sobě nese nejen optické informace o poloze a "síle" zdrojů záření. Neméně důležité informace jsou "zakódovány" ve vlnové délce či frekvenci elektromagnetického vlnění - v jeho spektru*).
*) Spektrální analýza viditelného světla se provádí jeho rozložením v optickém hranolu (disperze světla - různý index lomu pro různé vlnové délky, tj. barvy) nebo optické mřížce (ohyb a interference světelných vln podle různé vlnové délky). V obou případech se získá spektrum - grafický obraz, kde na vodorovné ose je vlnová délka, na svislé ose nebo jasové škále je intenzita světla jednotlivých vlnových délek. Spektrální analýza záření jiných vlnových délek než světlo se provádí pomocí příslušných metod detekce a elektronického zpracování měřeného signálu (u vysokoenergetického záření viz "Detekce a spektrometrie ionizujícího záření").
Chemická spektrometrie
  Každý atom daného prvku a molekula konkrétní sloučeniny má zcela určité, pevné a charakteristické energetické hladiny elektronů, při jejichž excitaci (vybuzení) je absorbováno elektromagnetické záření určité vlnové délky l (resp. foton odpovídající energie h.c/l) a při jejichž deexcitaci je záření této určité vlnové délky zase vysíláno (viz "Záření atomů"). Analýzou spektrálních čar "světlých" (emisní spektrum) a "tmavých" (absorbční spektrum) lze získat spolehlivou informaci o atomech prvků či molekulách sloučenin, které toto záření vysílají, nebo které je při průchodu naopak absorbují - lze provádět chemickou analýzu látek ve vzdáleném vesmíru.
Dopplerovská spektrometrie
  Jelikož energie (vlnové délky) spektrálních čar jsou pevné a přesně známé, vedle zjišťování prvků a sloučenin umožňuje spektrometrie i analýzu pohybu - měření rychlostí hvězd, galaxií a jejich částí. Jsou-li totiž čáry, resp. série čar, ve spektru systematicky posunuty k červenému nebo fialovému konci spektra, znamená to, že zde působí Dopplerův jev *) změny vlnových délek pohybem zdroje vzhledem k pozorovateli. Jestliže se zdroj pohybuje směrem od pozorovatele, vlnová délka se prodlužuje (červený posuv), při pohybu zdroje směrem k pozorovateli se vlnová délka zkracuje (posunuje směrem k fialovému konci spektra).
  Složitější situace je v obecné teorii relativity za přítomnosti gravitace a zakřiveného prostoročasu. Zde se může jednat i o gravitační rudý posuv (viz §2.4). V kosmologii se pak setkáváme s Hubbleovým rudým posuvem velmi vzdálených objektů (§5.1), který je důsledkem expanze samotného prostoru (viz diskusi v §5.4, pasáž "Co se rozpíná a nerozpíná při expanzi vesmíru?"). Z observačního hlediska jsou však obě interpretace spektrálního posunu v zásadě ekvivalentní.
*) Dopplerův jev je kinematický efekt vznikající při vzájemném pohybu zdroje vlnění a pozorovatele (detektoru vlnění). Platí obecně pro všechny druhy vlnění. Pohybuje-li se zdroj vlnění určité konstantní frekvence f_o směrem k pozorovateli (přijímači), registruje tento pozorovatel vyšší frekvenci f, než jakou zdroj ve skutečnosti vydává. Naopak při vzdalování zdroje od pozorovatele je registrována frekvence nižší než skutečná. Relativní rozdíl skutečné f_o a pozorované f frekvence (Dopplerovský frekvenční posun) roste úměrně s rychlostí pohybu V zdroje vůči pozorovateli: f = [1 + (V/v)].f_o, kde v je rychlost šíření daného vlnění; Df/f_o = (f-f_o)/f = V/v. Analogicky platí i pro vlnovou délku l=v/f. Změřením rozdílu frekvencí či vlnových délek primárního vysílaného vlnění a přijímaného vlnění tak můžeme stanovit vzájemnou rychlost pohybu zdroje a pozorovatele. Pro elektromagnetické vlnění je samozřejmě v=c. A skutečnou (primární) frekvenci či vlnovou délku vyzařovaných spektrálních čar přesně známe z laboratorních měření.
Pozn.: Tato zákonitost platí i tehdy, když zdrojem přijímaného vlnění je odraz vlnění od určitého pohybujícího se objektu (včetně proudícího plynu nebo kapaliny). Využívá se v radarové technice a v utrazvukové sonografii.
  Přesnou spektrometrickou analýzou lze měřit nejen rychlosti translačních pohybů, ale i rotace, pulzace či turbulence plynů ve hvězdách a galaxiích; tyto děje se projevují příslušným rozšířením či zdvojením spektrálních čar.
Astronomické teleskopy - "stroje času" 
Vesmír je pro většinu záření dobře průzračný (aspoň v nynější etapě), takže o vzdáleném vesmíru postupně získáváme mnoho informací (paradoxně o něm toho víme více než o nitru naší Země). Díky známé konstantní rychlosti světla můžeme astronomické teleskopy považovat zároveň za jakési "stroje času" (ve smyslu Arbesova "Newtonova mozku"), kterými můžeme pozorovat děje ve vesmíru i před mnoha miliardami let (o možnostech "cestování v čase" viz odkaz "Cesty časem: fantazie nebo fyzikální realita?").

Přírodní zákony, modely a fyzikální teorie
Zamysleme se stručně nad některými obecnými gnoseologickými aspekty odhalování přírodních zákonitostí, vytváření jejich modelů a formulování fyzikálních teorií. Některé další aspekty tohoto druhu jsou diskutovány v §1.0 "Fyzika - fundamentální přírodní věda" knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
Řád a zákony v přírodě 
   Ve starověku, kdy lidé neznali příčiny a vzájemné souvislosti jevů a událostí v přírodě (ani v lidském životě), dívali se na všechno antropomorficky a vysvětlovali si veškeré dění pomocí bohů či démonů, kteří ovládají všechny aspekty přírody a života - bohové Slunce, ohně, moře, války, bouře atd.. Tito bohové byli podle jejich mínění nevypočitatelní, lidé jim byli vydáni na milost a nemilost (mohli být příp. usmířeni pomocí obětí a rituálů). Během dlouhého procesu rozvoje poznání (který začal již v době antického Řecka, kolem r.500 př.n.l. a podíleli se na něm zvláště Thales z Milétu, Anaximandros, Démokritos, Pythagoras, Aristarchos, Archimédes) se však čím dál více prosazoval názor, že příroda se řídí určitými neměnnými pravidly - přírodními zákony, které lze odhalovat. Lidé začali chápat, že příroda (vesmír) má svůj vnitřní řád, který lze pochopit pomocí pozorování a přemýšlení o těchto pozorováních. Že svět je poznatelný a lze mu porozumět bez odkazu na mýty, náboženství a nepodložené domněnky, nýbrž na základě spolehlivě zjištěných a pečlivě utříděných poznatků.
   Přírodní zákon je tvrzení, které popisuje určitý pozorovaný jev nebo skupinu jevů a zobecňuje jej na další analogické jevy na základě logických vývodů. Přitom složité jevy, v nichž nepozorujeme přímou zákonitost, mohou být pochopeny pomocí jednodušších zákonů a principů - tzv. redukcionismus (srov. níže). Jednotlivé přírodní zákony tvoří větší, vzájemně propojený systém zákonů; tento systém by měl být logicky konzistentní. V současné přírodovědě jsou přírodní zákony formulovány většinou matematicky. Za jasně definovaných podmínek musí platit bez výjimy. Při změněných podmínkách nemusí zcela ztrácet svou platnost, ale mohou platit přibližně *).
*) Příkladem jsou Newtonovy zákony mechaniky, které platí s vysokou přesností v běžných podmínkách každodenního života, avšak ztrácejí přesnost, když se objekty pohybují vysokými rychlostmi, blízkými rychlosti světla. Nebo Archimedův zákon platí přesně pro "ideální" kapaliny (v nichž se tlak šíří rovnoměrně všemi směry), nacházející se v homogenním gravitačním poli; ve viskózních kapalinách platí jen přibližně, v bahně neplatí vůbec.
Modely a fyzikální teorie 
   Popisy jevů, příslušné fyzikální zákony a vysvětlení (či pokusy o vysvětlení) jejich podstaty a souvislostí s dalšími jevy, se shrnují do širšího rámce názorového systému, učení či myšlenkové soustavy - fyzikální teorie. Každá fyzikální teorie vychází z určité základní představy či obrazu zkoumaných jevů - modelu přírodní reality, který vystihuje základní rysy zkoumaných jevů, avšak abstrahuje od některých podružnějších, náhodných či rušivých vlivů. Fyzikální teorie je pak vlastně model + soubor zákonů (většinou matematicky formulovaných), které spojují tento model s výsledky pozorování nebo experimentů.
Pozn.: Modely si vytváříme nejen ve vědě, ale podvědomně i v běžném životě, abychom dokázali reflektovat a pochopit svět kolem nás. I při vidění dostává náš mozek elektro-chemické signály po očních nervech a v příslušném centru si vytváří mentální obraz - model skutečnosti.
   Model či teorii považujeme za správnou, resp. adekvátní, když splňuje následující 4 kritéria (páté kritérium bude doplněno níže): 
¨ 1. Je ve shodě se stávajícími pozorováními a vysvětluje jejich výsledky.
¨ 2. Poskytuje jednoznačné předpovědi o budoucích měřeních a pozorováních. Výsledky těchto měření mohou model potvrdit nebo vyvrátit, podle toho zda budou souhlasit či nesouhlasit s předpovědí modelu.
¨ 3. Obsahuje co nejméně libovolných volitelných parametrů, jejichž hodnoty neplynou z teorie a musejí být nastaveny tak, aby model odpovídal experimentálním výsledkům.
¨ 4. Je logicky jednoduchý, "elegantní", přirozeně a věrohodně vysvětluje podstatu jevů.
   Ne vždy a pro všechny jevy se daří takový ideální model nebo teorii vytvořit. Uvedená kritéria "dobrého" modelu či teorie do značné míry splňuje klasická mechanika a Newtonova teorie gravitace (v mezích své platnosti), relativistická mechanika (v inerciálních vztažných soustavách) a elektrodynamika (ta je dokonce univerzální). Je zajímavé, že určité potíže s bodem 3. má tak úspěšná teorie, jakou je standardní model elementárních částic (rozebíraný v §1.5 "Elementární částice a urychlovače" knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"); obsahuje totiž desítky volných parametrů (hmotnosti, náboje, spiny a další charakteristiky různých částic), jejichž hodnoty nevyplývají z teorie a musí být nastaveny na základě experimentálních dat, aby model odpovídal výsledkům měření a pozorování.
   Základem vědeckého myšlení je sjednocování: v ohromné rozmanitosti jevů a událostí hledat obecné zákonitosti a společnou podstatu, snažit se vysvětlit různorodost jevů na základě co nejmenšího počtu základních zákonů. Přemýšliví lidé vždy toužili po teorii, která by popsala a umožnila pochopit veškerou pozorovanou složitost a rozmanitost přírody. Konečným (monistickým) ideálem je vysvětlit všechny přírodní zákony pomocí jediného univerzálního principu - vytvořit definitivní finální teorii či jednotnou "teorii všeho". A právě fyzice, která zkoumá nejzákladnější zákonitosti přírody, náleží hlavní sjednocovací úloha mezi všemi přírodními vědami. Charakteristickým rysem fyzikálního pohledu na přírodu je tedy již zmíněný redukcionistický přístup a snaha o jednotné pochopení co nejširší třídy jevů - unitarizace. V této souvislosti můžeme shora zmíněná 4 kritéria adekvátní teorie doplnit pátým kritériem:
¨ 5. Teorie by měla na jednotném základě popisovat a vysvětlovat co nejširší třídu přírodních jevů.
   Tyto aspekty jsou podrobněji diskutovány v §B.1 "Proces sjednocování ve fyzice".
Duplicita a dualita modelů a teorií 
   Jak se během našeho poznávání přírodních zákonitostí modely a teorie postupně vyvíjejí a zdokonalují, byla zformulována řada modelů a teorií různých jevů a skupin jevů. Stává se přitom, že dvě různé teorie dobře popisují tentýž jev. Jak rozhodnout, která z nich je správná, či aspoň "lepší"? Uveďme dva příklady:
l Pohyb nebeských těles - planetární systém. Kolem roku 150 Ptolemaios vytvořil geocentrický model (systém) rozmístění a pohybu nebeských těles. Podle něj je Země sférická, nehybná a leží ve středu vesmíru. Hvězdy a planety kolem ní ve velkých vzdálenostech obíhají rovnoměrně po kruhových drahách. Rozpory mezi předpokládaným dokonale rovnoměrným pohybem a pozorovanými nepravidelnostmi pohybu planet spolu se změnami jejich jasnosti (svědčícími o změnách vzdáleností mezi Zemí a planetami) vyřešil hypothézou, že skutečné pohyby planet vznikají skládáním dvou nebo více rovnoměrných kruhových pohybů (tzv. deferentu, epicyklu a ekvantu). Ptolemaios tak dosáhl poměrně dobré shody s astronomickými pozorováními, ovšem za cenu značné složitosti a vyumělkovanosti. Geocentrický systém s nehybnou Zemí vypadal docela přirozeně, neboť v běžném životě necítíme, že by se Země pod našima nohama pohybovala (nikdo si tehdy neuvědomil, že totéž se děje na lodi rovnoměrně plující po klidné hladině jezera).
V r.1543 pak M.Koperník vypracoval alternativní heliocentrický model, podle něhož nehybným středem vesmíru je Slunce a planety kolem něj obíhají po (přibližně) kruhových drahách. Země je jednou z planet, která se otáčí s denní periodou kolem své osy, což tvoří zdání, že všechna vesmírná tělesa, hvězdy a planety, kolem ní obíhají. Pozorované pohyby Slunce a planet se tak daleko jednodušeji a přirozeněji vysvětlí; již toto samo o sobě preferuje heliocentrický systém. Nejdůležitější je zde však to, že oběh planet kolem Slunce se podařil zcela precizně vysvětlit pomocí Newtonova zákona všeobecné gravitace + zákonů klasické mechaniky, z nichž plynou Kepplerovy zákony oběhu planet. Lze tedy říci, že Ptolemaiův geocentrický systém je mylný a skutečnosti odpovídá heliocentrický systém *) - ovšem s tím upřesněním, že Slunce je středem pouze naší planetární sluneční soustavy, nikoli vesmíru.
*) V současné době se někdy vyskytuje názor, že geocentrický a heliocentrický model jsou rovnocenné, že nelze rozhodnout, který z nich je adekvátnější. S tím nelze souhlasit! Zavedení dalších "epicyklů k epicyklům" lze sice dosáhnout takového zpřesnění, že geocentrický systém bude vyhovovat i posledním přesným pozorováním. Nebo z hlediska principu relativity můžeme k popisu vesmíru rovnoprávně použít vztažné soustavy spojené se Sluncem nebo se Zemí, tj. z pohledu stojícího Slunce nebo stojící Země. Zde se však dostáváme do rozporu s výše zmíněnými kritérii 3. a 4. adekvátního modelu. Zpřesňování geocentrického modelu je spojeno s rostoucí složitostí a nutností zavádění dalších volitelných parametrů, chybí věrohodnost a vysvětlení podstaty takového chování. Z čistě kinematického hlediska lze sice použít vztažnou soustavu spojenou se Zemí (při astronomických pozorováních ze Země to tak bohužel musíme dělat, se zaváděním složitých korekcí), avšak při analýze pohybu planet jsou rovnice jejich pohybu mnohem jednodušší ve vztažné soustavě, v níž je Slunce vzato jako nehybný počátek. Hlavně však je heliocentrický systém podepřen a odůvodněn dynamikou gravitačních a odstředivých sil při oběhu planet kolem Slunce - mechanismem, který velmi dobře vysvětluje příčiny tohoto pohybu. Zkrátka "to tak je"!
l Teorie světla. Pomocí starší Newtonovy korpuskulární teorie (světlo je tvořeno nepatrnými pohybujícími se částečkami) lze dobře vysvětlit přímočaré šíření světla v "paprscích" a v podstatě i lom světla při průchodu z jednoho optického prostředí do druhého. Nedovede však vysvětlit ohyb světla a interferenční jevy (charakteristické světlé a tmavé proužky či Newtonovy kroužky). Proto byla vytvořena novější vlnová teorie světla, která všechny jevy šíření, lomu, ohybu a interference světla dovede přirozeně vysvětlit. A navíc sjednocuje optiku s elektrodynamikou: světlo je elektromagnetické vlnění o velmi krátké vlnové délce. Vlnová teorie světla byla potvrzena a zdálo by se tedy, že korpuskulární teorie je nesprávná.
Avšak počátkem 20.stol. Einstein ukázal, že fotoelektrický jev lze vysvětlit jedině tak, že na povrch kovu nebo na atom dopadne kvantum světla - jakožto částice - a vyrazí z něj elektron. Světlo se tedy chová jednak jako vlna, jednak jako částice. Každá z obou teorií dokáže popsat a vysvětlit některé vlastnosti světla a o žádné z nich nelze tvrdit, že je "lepší" nebo "reaálnější" než ta druhá. Vysvětlit tento zdánlivý gnoseologický rozpor se podařilo až v korpuskulárně-vlnovém dualismu kvantové fyziky, který se projevuje i u elektronů a jiných částic (viz pasáž "Částicově-vlnový dualismus" v §1.1 zmíněné knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"). Zde je tedy situace úplně jiná než u geocentrického a heliocentrického systému. Obě teorie se ukázaly stejně správné a byly sjednoceny v duchu kritéria 5.
   Na základě výše uvedených kritérií 1.-5. lze tedy v zásadě rozhodnout, který z duplicitních modelů je "lepší" a adekvátnější.
Přesné a efektivní přírodní zákony; redukcionismus 
   Cílem přírodovědy je neustálé hledání plného porozumění sutečnosti a dokonalých předpovědí, především pomocí přesných matematických modelů reálného světa (v duchu klasické Newtonovy mechaniky). Tento teoretický "ideál" však v praxi naráží na obrovskou rozmanitost a složitost přírodních jevů. Na úrovni mikrosvěta k tomu přistupuje stochastický charakter kvantových zákonitostí, korpuskulárně-vlnový dualismus, kvantové relace neurčitosti. Na absolutní přesnost proto musíme v praxi většinou rezignovat a v našem poznání reality a schopnosti předpovědí připustit větší či menší míru neurčitosti...
   Každé těleso je složeno z atomů, takže přesná teorie popisující jeho chování a pohyb by měla zahrnovat pohyby a interakce všech jednotlivých atomů. Když bychom podle této koncepce chtěli analyzovat např. pohyb hozeného kamene, museli bychom vyřešit všechny rovnice popisující gravitační působení mezi každým atomem kamene a každým atomem Země, s obrovským počtem parametrů. To je samozřejmě zcela nemožné. Mechanika postupuje jinak: kámen modeluje pomocí idealizovaného hmotného bodu - těžiště, o hmotnosti M rovné součtu hmotností všech atomů kamene a analyzuje interakci tohoto hmotného bodu s celkovým gravitačním polem Země, popsaným gravitačním zrychlením g. Toto je nesrovnatelně jednodušší - jedna rovnice o dvou parametrech (v tomto případě vlastně jen o jednom parametru g, protože vzhledem k univerzálnosti gravitačního působení pohyb nezávisí na hmotnosti M), přičemž obdržíme výsledek (dráhu vrženého kamene) s přesností naprosto postačující pro daný problém.
   Teorie, která adekvátně modeluje určité jevy, aniž by detailně popisovala všechny procesy, které se těchto jevů účastní a k nim vedou, se nazývá efektivní teorie. Někdy se používá i název fenomenologická teorie.
   Na "efektivních zákonech" je založena celá klasická mechanika s koncepcí hmotného bodu. Studium mechanických procesů na molekulární úrovni vedlo ke statistické mechanice a termodynamice. Předpokládá se zde sice, že jednotlivé částice se pohybují podle přesných zákonů Newtonovy mechaniky, avšak v praxi by jejich použití pro větší systémy bylo nesmírně složité a nemožné. Proto se na přelomu 19. a 20. století zavedly statistické metody, kde polohy a rychlosti jednotlivých částic byly nahrazeny statistickými průměry (za předpokladu, že pravděpodobnosti všech mikrostavů jsou stejné). Analytické metody používané v Newtonovské mechanice tak byly nahrazeny metodami statistické fyziky založenými na pravděpodobnosti; to se ukázalo velmi úspěšné zvláště v oblasti chování plynů a termodynamiky (kinetická teorie tepla).
   Efektivními teoriemi jsou dále nauka o pružnosti a pevnosti, hydrodynamika, elektrodynamika a optika látkového prostředí. Ve všech těchto fyzikálních oborech se zabýváme kolektivními pohyby atomů a molekul a jejich kolektivními elektrickými interakcemi, aniž analyzujeme všechny podrobnosti chování jednotlivých atomů. Rovněž větší část astrofyziky, která zkoumá pohyby planet, evoluci hvězd a galaxií, včetně relativistické astrofyziky. Zde je však zajímavá okolnost, že ve fyzice černých děr přechází přibližná efektivní teorie v teorii přesnou (§4.5 "Teorém "černá díra nemá vlasy"").
   Důležitou efektivní teorií je chemie. Podstata chemických reakcí je fyzikální - sdílení elektronů atomového obalu při těsném přiblížení atomů a v důsledku toho vznik přitažlivé elektrické síly, vázající atomy k sobě, do molekul (podrobněji "Interakce atomů - chemické slučování"). V nejjednodušších případech dovede fyzikální chemie vazby atomů do jednoduchých molekul podrobně analyzovat a matematicky popsat. Nedokážeme ale vyřešit rovnice popisující interakce složitých atomů a molekul. Chemie však vytvořila své efektivní metody, které adekvátně popisují, jak se atomy a molekuly chovají při vzájemných reakcích a vyjadřuje je pomocí chemických vzorců a rovnic, aniž je nutno uvažovat všechny podrobnosti elektromagnetických interakcí mezi atomy.
   V moderní biologii - molekulární biologii - se ukazuje, že veškeré děje v živých organismech jsou založeny na velmi komplikovaných fyzikálních a hlavně chemických (biochemických) reakcích mezi složitými molekulami v buňkách. Kdybychom chtěli tyto životní pochody přesně analyticky popsat, museli bychom znát fyzikální stav mnoha biliónů-bilónů molekul v organismu a řešit obrovské množství rovnic jejich interakcí. Chování živých organismů je výsledkem tak složitých procesů s tak obrovským množstvím parametrů, že je zcela nemožné je exaktně fyzikálně popsat. Biologie však má své efektivní metody jak zkoumat životní procesy na úrovni subcelulární, buněčné i celého organismu, aniž je nutno uvažovat všechny podrobnosti reakcí mezi jednotlivými atomy a molekulami.
   Gnoseologický postup, který se složitější jevy snaží vysvětlit pomocí jevů jednodušších, se nazývá redukcionismus. Je to základní myšlenková platforma pokročilého výzkumu v oblastech složitějších jevů, zvláště biologických. Biologické děje se vysvětlují chemickými reakcemi a chemické reakce zase fyzikálními interakcemi atomů. Základní fyzikální zákony na klasické a makroskopické úrovni jsou deterministické (z hlediska kvantové fyziky je to složitější). Chování živých organismů se sice též vnitřně řídí fyzikálními zákony, avšak celkově je výsledkem tak složitých procesů s takovým obrovským množstvím parametrů, že je prakticky nemožné ho předvídat (v deterministickém smyslu). Jsme v zásadě "biologické stroje" a to co nazýváme "svobodná vůle" je pouhou iluzí?; otázky determinismu verzus náhodnosti jsou podrobněji diskutovány v závěru §3.3, část "Determinismus - náhoda - chaos ?".
Unikátnost a původ fyzikálních zákonů 
   Při gnoseologické analýze našeho poznávání přírodních dějů vznikají dále přinejmenším tři otázky o fyzikálních zákonech:
1. Platí stejné fyzikální zákony v celém Vesmíru, nyní v minulosti i budoucnosti? 
2. Existuje jen jediný soubor možných fyzikálních zákonů?
3. Jaký je původ fyzikálních zákonů? 
Ad 1: Spektrometrická analýza záření přicházejícího i z těch nejvzdálenějších končin vesmíru ukazuje, že přírodní děje probíhající zde na Zemi i v celém pozorování dostupném vesmíru, se řídí stejnými univerzálními fyzikálními zákony mechaniky, gravitace, elektrodynamiky, atomistiky, jaderné fyziky, termodynamiky, fyziky plasmy atd. Většinou předpokládáme, že fyzikální zákony jsou stejné i v čase, avšak přímé důkazy pro to nemáme. V nejranějších etapách vývoje vesmíru možná docházelo k oddělování jednotlivých interakcí od základní sjednocené interakce, pro niž platily nám dosud neznámé zákony. Někdy se též uvažuje o pomalé změně fyzikálních konstant s časem, např. gravitační konstanty (viz např. §A2 "Bransova-Dickeova teorie gravitace"), což se dosud rovněž nepodařilo prokázat.
Ad 2: Složitější je druhá otázka, kterou je možno metaforicky (či z teologického hlediska) formulovat jako: "Měl Bůh při stvoření světa svobodu v tvorbě přírodních zákonů? - nebo je nutně musel udělat takové, jaké jsou?". Z hlediska klasické fyziky se zdálo, že může existovat jen jeden logicky konzistentní soubor fyzikálních zákonů. Podle kvantové fyziky a unitárních teorií pole, aplikovaných na kosmologii, však nemá vesmír jen jednu možnou historii, ale může existovat mnoho různých vesmírů s různými fyzikálními zákony a hodnotami přírodních konstant (je podrobněji diskutováno v §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír.", §5.7 "Antropický princip a existence více vesmírů" a §B6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny.").
Ad 3: Původ fyzikálních zákonů se tradičně odkazuje do transcendentna, na Boha, který je jejich tvůrcem. Tak je to možná s těmi nejfundamentálnějšími zákony či východisky, z nichž vycházejí unitární teorie pole. Konkrétní fyzikální zákony, popisující jevy kolem nás, jsou však pravděpodobně produktem bouřlivých dějů na počátku vesmíru, kdy se formovaly základní pole, částice a vlastnosti interakcí mezi nimi. A v různých vesmírech tomu může být různě (§5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír.")...
Existence objektivní reality 
   Klasická přírodověda je založena na tzv. objektivním realismu: předpoladu, že existuje reálný "vnější" svět, jehož vlastnosti jsou dané a objektivní - nezávislé na pozorovateli, který jej zkoumá. Že všechny objekty existují nezávisle na nás a mají určité dané fyzikální vlastnosti, např. rychlost, hmotnost, elektrické působení (náboj). A tyto vlastnosti budou mít objekty stejné, ať je někdo pozoruje nebo ne.
   Toto plně odpovídá naší zkušenosti se všemi jevy v makrosvětě, popisovaném zákony klasické fyziky. Složitější situace nastává v oblasti mikrosvěta - atomů a elementárních částic. Zde proces "pozorování", resp. měření, nutně zasahuje do chování mikročástic a mění jejich parametry. Měření má totiž nutně charakter vzájemné interakce měřené částice s "testovacími" částicemi. Nemůžeme tedy tvrdit, že mikročástice měla určitou polohu a rychlost až do chvíle, kdy jsou parametry změřeny. Měřená veličina nabyla příslušnou hodnotu až v okamžiku měření - a v důsledku procesu měření. Nelze však souhlasit s názory, přeceňujícími úlohu "subjektivního pozorovatele" a zpochybňujícími objektivní realitu jako takovou! Přírodní děje s nespočetnými interakcemi částic a polí neustále probíhají v přírodě a jejich výsledky jsou nezávislé na nás. Pouze naše občasné sondy do dějů mikrosvěta jsou zatíženy principiálními kvantovými neurčitostmi. Není to však důsledek našeho subjektivního zásahu jako pozorovatele, ale vliv interakce s objektivně existujícími částicemi, použitými pro pozorování či měření.
   V souvislosti s tím se někdy diskutuje, co vlasně znamená "existovat"? Zda můžeme tvrdit, že existují věci, které nevidíme, např. atomy, elektrony, protony, kvarky. Tyto částice, které nemůžeme "opticky" vidět, jsou však adekvátním modelem, který vysvětluje spoustu pozorovámí vlastností hmoty- vlastně všechny dosud známé vlastnosti. V běžném životě třebas svítící body tvořící obraz na televizní obrazovce (vakuové elektronce - katodové trubici): jednotlivé elektrony sice přímo nevidíme, ale jsou "zviditelněny" interakcí s molekulami luminoforu na stínítku obrazovky. I ostatní subatomární mikročástice dovede moderní fyzika nepřímo pozorovat, registrovat či detekovat, často pomocí velice složité experimentální techniky ("Detekce a spektrometrie záření", "Elementární částice a urychlovače"). Oprávněně proto "věříme" že existují - nebo že jsou aspoň velice užitečným adekvátním modelem...
   Diskuse o "existenci" někdy zabředá do planého filosofování. Např. za běžné situace, že v místnosti stojí pracovní stůl: jak víme, že ten stůl tam dál existuje, když vyjdeme z místnosti a nevidíme ho? Můžeme se vrátit a uvidíme ho na stejném místě. Ale co když stůl zmizel (nebo ho někdo rozebral, rozpadl se) když z místnosti odejdeme a zase se objeví (složí) na tomtéž místě když se do místnosti vrátíme? To by byla jistě absurdní (i když v principu možná) představa, která nesouhlasí se zkušeností (třebas svědectvím někoho, kdo v místnosti trvale zůstal)...
   Toto plané filosofování jde někdy ještě dál a zvrhává se v agnosticismus, nihilismus a subjektivní idealismus: neexistuje nic kromě naší mysli a našich myšlenek, vnější svět není reálný a objektivní, nýbrž se nám jen zdá. Toto je oblíbené téma "kavárenských filosofů", pijáků u piva, či "alternativců" různých orientací. Z hlediska východní filosofie je reflektováno v pojednání "Antropický princip aneb kosmický Bůh", část "Je svět objektivní, či subjektivní?". I když nemůžeme exaktně dokázat existenci objektivní reality, v našem životě, praktickém konání a poznávání je objektivní realita jedinou možnou platformou!

Prostor a čas
Spolu s rozvojem poznání konkrétních zákonitostí přírody se vyvíjely i nejzákladnější fyzikální pojmy - prostor a čas. Všichni v prostoru a čase žijeme, takže máme určitou intuitivní představu co prostor a čas jsou. Avšak obecnou a přesnou definici prostoru a času nemáme, protože nám chybí nějaký "vyšší" nadřazený a obecnější pojem, pomocí něhož bychom ji mohli vyjádřit.
   Pro lidi ve starověku a středověku představoval veškerý prostor - celý svět, vesmír - malý okrsek naší Země, který se dal přehlédnout z nejbližšího kopce či obejít během pár dní. Později se tento obzor rozšířil díky námořním plavbám. A čas vnímali cyklicky jako periodicky se opakující sled ročních období - v kruhu se neustále vracejících životních cyklů. Tato představa měla přírodně-agrární kořeny, byla odvozena od čtyř základních období - po zimě přichází doba, kdy raší rostliny a narodí se nová zvířata, v létě vznikne úroda. Lidé měli představu, že tento cyklus (jehož příčinu neznali) je přirozenou a základní podstatou světa a vlastností času. A za "hybnou sílu" všech přírodních dějů považovali různé nadpřirozené bytosti a božstva, sídlící ve stromech, vodě, horách, kamenech, Slunci, Měsíci a pod. Tato božstva "oživovala" svět.

  Otázky o podstatě prostoru, času i hmoty se pokoušeli řešit pomocí filosofických spekulací již antičtí řečtí myslitelé. Aristoteles ve své "Metafyzice" vyslovil názor, že hmota existovala v nekonečném prostoru stále (od nekonečné minulosti), přičemž "Bůh" (první hybatel) pouze do jejího chaotického stavu vložil pohyb a plánovitý řád - přírodní zákony. Později převládla víra ve stvoření světa a ve filosofii se diskutovala otázka, zda prostor a čas existoval již před aktem stvoření, nebo byl stvořen spolu s hmotou. Někteří filosofové zastávali názor, že bez hmoty nemohl prostor ani čas existovat (např. Aurelius Augustinius (354-430n.l.)). Jiní argumentovali tím, že "existence hmoty vůbec není nutná pro existenci prostoru a času, podobně jako existence Slunce není nutná pro existenci času, i když jeho pohybem čas obvykle měříme" (J.Locke, r.1690).

Antickým řekům se zdálo samozřejmé, že existuje stav absolutního klidu, kterého nabývá každé těleso, jež nepodléhá účinku vnějších sil. To vedlo ke koncepci "absolutního prostoru", v němž je možno stanovit, zda v různých časových okamžicich probíhají události v tomtéž místě (bodu) prostoru, a k představě "absolutního času". Galilei a Newton principem relativity a zákonem setrvačnosti sice koncepci absolutního prostoru částečně zbavili fyzikální půdy pod nohama, protože neexistuje způsob, pomocí něhož je možno absolutní klid nebo pohyb mechanicky změřit *).
*) Přesto však i Newton uznával absolutní prostor, jak je vidět z jeho spisu "Philosophiae naturalis principia mathematica" z r.1678, v němž píše: "Absolutní prostor svou povahou a bez vztahu k čemukoli vnějšímu zůstává vždy stejný a nepohyblivý".
  Plně zachována však zůstala koncepce absolutního času, neboli možnost absolutně určit současnost událostí i tehdy, když tyto události probíhají v různých místech prostoru. Absolutní čas vystupoval v Newtonových zákonech mechaniky, tekl stejně pro libovolně pohybující se tělesa a jeho hodnota mohla být určena absolutně od "okamžiku stvoření světa". "Absolutní neboli matematický čas plyne rovnoměrně sám od sebe, bez jakéhokoliv vztahu k čemukoli vnějšímu" psal Newton ve svých "Principiích". Absolutní čas tedy ubíhá stejně rychle všude v celém vesmíru a nezávisle na věcech a událostech - celý vesmír by tedy měl jediný shodný "kosmický" čas. Tento univerzální absolutní čas, kterému vše podléhá, nelze nijak ovlivnit, ani zrychlit nebo zpomalit. Vznik, proměny i zánik všech věcí (včetně živých tvorů), všechny jevy a události, jsou součástí tohoto plynulého proudu "kosmického času"*). Tato představa přetrvávala od antiky, přes středověk až do začátku 20.století.
*) Čas bývá často srovnáván s jednosměrným tokem řeky, kde pohyb zpět není možný.

Prostor a čas používaný v klasické mechanice má následující čtyři základní vlastnosti:

• a) Nezávislost na hmotě 
  Prostorová měřítka a běh času nezávisí na přítomnosti a pohybu hmoty. Kdyby z vesmíru všechna hmota zmizela, nic by to nezměnilo na prostoru a času.
• b) Vzájemná nezávislost prostoru a času
  Ve všech místech prostoru teče čas stejně a ve všech časových okamžicích má prostor stejné "proporce".
• c) Nekonečnost
  Prostor se rozprostírá ve třech rozměrech do nekonečna, představuje nekonečnou "arénu" či "jeviště" pro pohyb hmoty. Také čas je nekonečný, ale jednorozměrný a jednosměrný.
• d) Eukleidovy geometrické vlastnosti
  Fyzikální prostor je z geometrického hlediska 3-rozměrný Eukleidův prostor. Jednorozměrný čas, tvořený nepřetržitou řadou okamžiků (sledem událostí), modelujeme jako přímku či časovou osu, která je jednorozměrná, nekonečná, spojitá. Každé události odpovídá určité místo - bod v 3-rozměrném prostoru, a určitý časový okamžik - bod na časové přímce. Mezi dvěma body na časové přímce je úsečka, jejíž délka odpovídá časovému intervalu mezi dvěma událostmi. Takováto časová úsečka znázorňuje i dobu trvání objektů. Počáteční bod odpovídá vzniku objektu, koncový bod znázorňuje jeho zánik. Pohyb tělesa (částice) v prostoru je znázorněn jeho trajektorií (dráhou) - jednorozměrnou čárou tvořenou sledem bodů, v nichž se těleso (resp. jeho těžiště) postupně nachází v průběhu času.

  Newtonovská představa o struktuře prostoru a času plně odpovídala zkušenosti a nijak se o ní nepochybovalo až do konce 19.století. Tehdy z Faradayovy-Maxwellovy elektrodynamiky vyplynulo, že elektromagnetické vlny se šíří rychlostí c = 300000 km/s; hned se však vynořila otázka: vzhledem k čemu? Zavedení éteru jako prostředí v němž se šíří elektromagnetické vlny, zde vlastně nahrazovalo absolutní prostor (viz též poznámku o éteru na konci §1.5). Proslulé interferenční pokusy Michelsona a Morleye konané v letech 1881-1887 ukázaly, že žádný éter neexistuje a že světlo se šíří stálou rychlostí nezávisle na pohybovém stavu zdroje nebo pozorovatele, v rozporu s nejzákladnějšími mechanickými představami. Nesrovnalosti mezi představami klasické mechaniky a elektrodynamiky vyřešil A.Einstein (1879-1955) svou speciální teorií relativity (STR), v níž prostor a čas již nejsou absolutní, ale jsou součástí obecnějšího prostoročasu - §1.6 "Čtyřrozměrný prostoročas a speciální teorie relativity".

Pro pochopení vztahu mezi prostorem a časem na jedné straně a hmotou na straně druhé, však STR přinesla velmi málo. Prostoročas zůstával nadále jakýmsi "jevištěm" na němž probíhá pohyb hmoty, avšak jeho vlastnosti nejsou chováním hmoty nijak ovlivňovány. Vlastnosti a), c) a d) zůstaly ve speciální teorii relativity zachovány. Ve své obecné teorii relativity dokončené v r.1916 Einstein reviduje všechny základní vlastnosti prostoru a času (viz kap.2 "Obecná teorie relativity - fyzika gravitace"): prostoročas nejen že nemusí být Eukleidovský ani nekonečný (je Riemannovský a může být uzavřený), ale jeho geometrické vlastnosti jsou přímo určeny rozložením a pohybem hmoty. V různých místech prostoru může být jiný běh času, geometrie prostoru se může měnit s časem. Obecná teorie relativity zároveň znamenala zásadní obrat v názorech na podstatu gravitace - gravitace se stává projevem zakřivenosti prostoročasu. Při koncipování obecné teorie relativity měly na Einsteina značný (převážně pozitivní) vliv Machovy názory o kosmickém původu setrvačných sil (viz Dodatek A).

Hluboká revize pojmů prostoru a času provedená v Einsteinově speciální a obecné teorii relativity pramenila z pečlivé analýzy procesu měření ve fyzice. Definice pojmů prostoru a času a jejich vlastnosti musejí plynout z poznatků získaných fyzikálními měřeními. Připisují-li se prostoru a času vlastnosti, které neplynou nevyhnutelně z fyzikálních měření, snadno se ocitáme na zcestí metafyziky. Matematická teorie, která si chce činit nároky na fyzikální obsah, musí být založena na takových výchozích pojmech, které odrážejí přírodní realitu. Na pojmy "prostor", "čas", "hmota" si dlouhou dobu činila výlučné nároky filosofie (někdy se s tím setkáváme i dnes). Historie vědeckého poznávání však ukazuje, že filosofie sice dovede klást důležité fundamentální otázky, avšak není schopna je spolehlivě a s konečnou platností zodpovědět. Pomocí různých filosofických spekulací lze dospět i ke zcela protichůdným závěrům a thézím. Realistickou odpověď na základní filosofické otázky jako je podstata prostoru, času a hmoty, a snad i na problémy vztahu bytí a vědomí nebo hmoty a "ducha", mohou pomoci najít jen fundamentální přírodní vědy (především fyzika), které dialekticky slučují spekulativní a experimentální poznávací metody, teorii a praxi. A k tomu poznání výrazně přispělo (a přispívá) i zkoumání gravitace.

Dvojí pojetí prostoru a času
Když to shrneme, z obecně přírodovědeckého a filosoficky-gnoseologického hlediska lze kategorie prostoru a času pojímat dvojím způsobem:

• Metafyzické pojetí
  Prostor a čas jsou jakýmsi absolutním pozadím či jevištěm, na němž se odehrávají události, ale které těmito událostmi zůstává neovlivněno. Takovýto absolutní prostor a čas, který nemá počátek ani konec, je jakýmsi transcendentním prvkem reality, daným Bohem v Platónském pojetí.
• Operacionalistické pojetí
  Prostor a čas jsou druhotnými pojmy odvozenými z přírodních procesů - pojmy sloužícími k popisu pohybů těles i průběhu všech ostatních fyzikálních procesů. Lze tudíž očekávat, že budou těmito procesy ovlivnitelné - prostor a čas pojímáme jako relativní. Prostotové vzdálenosti měříme srovnáváním s vhodnými tělesy - standardními měřítky, popř. radiolokačně. Čas měříme pomocí hodin sestavených z hmoty řídící se fyzikálními zákony - využíváme většinou periodické pohyby jako je oběh a rotace Země, kmity kyvadla či pohyby elektronů a jejich přeskoky mezi hladinami v atomových obalech. "Tiky" takových hodin nám určují běh času.
    Prostor a čas v tomto pojetí jsou definovány samotným způsobem svého měření, operacemi měření. Žádným myšleným či abstraktním představám prostoru a času mimo procesy, jimiž jsou měřeny, nepřikládáme reálný význam.

S prohlubováním a zpřesňováním přírodovědeckých poznatků a s jejich extenzí do mikrosvěta a megasvěta se koncepce absolutního prostoru a času dostávala do rozporu s výsledky pozorování a experimentů. Naopak operacionalistické pojetí relativního prostoru a času umožnilo pochopit a matematicky popsat i takové jevy, které by naší klasickou zkušeností byly nepochopitelné. V §4.3-4.9 a §5.2-5.7 uvidíme, že zvláště v extrémních situacích kolem černých děr či počátcích vesmíru, kde všechny nám obvyklé představy a metody měření prostoru a času selhávají, operacionalistický přístup umožňuje použít nové a nezvyklé metody měření prostoru a času, přiměřené daným podmínkám; je to patrně jediná možnost, jak tyto exotické jevy reflektovat.
  V dynamicky se vyvíjejícím a stále se proměňujícím vesmíru jedině "tvárný" prostor a čas, jehož vlastnosti se odvíjejí od probíhajících dějů, může adekvátně vystihnout strukturu a evoluci vesmíru v globálním měřítku i v měřítcích lokálně probíhajících procesů.
Začátek a konec času?   
Abstraktní, matematický či absolutní čas má věčné nekonečné trvání od -Ą do +Ą. Při fyzikálním, operacionalistickém pojetí však má čas konečné trvání. V §5.4 "Standardní kosmologický model. Velký třesk" uvidíme, že počátek vesmíru ve velkém třesku je zároveň i počátkem času. A v §5.6 "Budoucnost vesmíru. Šipka času" bude ukázáno, že budoucí evoluce vesmíru povede k faktickému konci času - buď ve velkém krachu, nebo v tepelné smrti vesmíru...
Vedle tohoto "globálního" konce času existují v obecné teorii relativity i situace, kdy nastává "lokální" konec času - jen pro určité pozorovatele či světočáry. V §3.4 "Schwarzschildova geometrie" a v §4.9 bude ukázáno, že pozorovatel, který projde horizontem událostí černí díry, za konečný interval svého vlastního času dospěje do singularity, která představuje jakýsi "lokální konec času".
Kvantové "atomy" prostoru a času?   
Obecně je prostor a čas považován za spojité kontinuum. V §B.4 "Kvantová geometrodynamika" bude však ukázáno, že kvantový přístup ke gravitaci a prostoročasu vede k představě kvantových fluktuací prostoročasu. Efektivně tak vznikají nejmenší, elementární, prostorové buňky o rozměru Planckovy délky ~10^-33cm a nejmenší smysluplné časové intervaly o trvání Planckova času ~10^-43sec. Z kvantového hlediska je tedy klasická představa plynulého toku času nahrazena představou skákajících diskrétních mini-intervalů, tak trochu připomínající přesypávání zrníček písku v přesýpacích hodinách.

Žijeme v zakřiveném prostoročase vyvíjejícího se vesmíru
Vytvořením obecné teorie relativity (OTR) a experimentálním potvrzením jejích základních předpovědí (především odklonu světelných paprsků v gravitačním poli Slunce změřeného v r.1919 expedicí sledující zatmění Slunce) byli lidé postaveni před skutečnost, že žijí v zakřiveném prostoročase. Praktický význam obecné teorie relativity však ještě dlouho po jejím vytvoření nebyl doceňován, protože se myslelo, že gravitační pole v přírodě nikdy nemohou být tak silná, aby se výrazněji projevovaly specifické relativistické efekty a odchylky od Newtonovské teorie. Daleko větší zájem budila kvantová fyzika, která slavila bezprostřední úspěchy při objasňování zákonitostí mikrosvěta a struktury hmoty.

První úspěch obecné teorie relativity se dostavil ve 20.letech v kosmologii (kap.5 "Relativistická kosmologie"). A.Fridman zjistil, že Einsteinovy gravitační rovnice umožňují řešení popisující prostorově homogenní a uzavřený vesmír, který se s časem rozšiřuje, což plně souhlasilo s objevem E.Hubbla, že vlnová délka světla od vzdálených galaxií je systematicky posunuta k červené barvě tím více, čím je galaxie vzdálenější.

První náznak toho, že ve vesmíru mohou existovat kompaktní tělesa se silnými gravitačními poli, se objevil ve 30.letech. Tehdy Chandrasekhar a Landau ukázali s použitím Newtonovy teorie gravitace, že pro hvězdy musí existovat určitá maximální hmotnost, má-li být na konci jejich vývoje dosaženo nějakého rovnovážného stavu. Oppenheimer a Snyder pak zakrátko (v r.1939) použili dříve nalezeného Schwarzschildova přesného řešení Einsteinových rovnic a dospěli k závěru, že dostatečně hmotný objekt bude pod vlivem vlastní gravitace neomezeně kolabovat. Tyto vývody však ve své době nevzbudily širší zájem.

Mocným stimulem k rozvoji obecné teorie relativity a zájmu o ni se staly na přelomu 50. a 60.let významné astronomické objevy. Především to byl objev pulsarů (viz §4.2 "Konečné fáze hvězdné evoluce. Gravitační kolaps") a hlavně kvasarů (viz §4.8 "Astrofyzikální význam černých děr"), u nichž se daly předpokládat velké koncentrace hmoty a silná gravitační pole. Dále, Fridmanovské kosmologické modely byly rozhodujícím způsobem podpořeny objevem mikrovlnného záření tepelného spektra odpovídajícího teplotě 2,7°K, které bylo interpretováno jako pozůstatek po velmi horké a husté fázi vývoje vesmíru - reliktní záření. V této době byla již rovněž poměrně dobře rozpracována astrofyzika evoluce hvězd, která ukázala, že v závěrečné fázi svého vývoje mohou hvězdy prodělat gravitační kolaps, který pro dostatečně hmotné hvězdy může být plně relativistický. Měly by tak vznikat neobyčejně podivuhodné kompaktní objekty nazvané kolapsary nebo černé díry. V 60. a 70. letech se tak vyvinula významná disciplina obecné teorie relativity a relativistické astrofyziky - fyzika černých děr (kapitola 4 "Černé díry").

Rozvoj elektroniky, měřící a experimentální techniky umožnil znovu a na podstatně přesnější úrovni navázat kontakt obecné teorie relativity s experimenty a astronomickými pozorováními. V r.1960 Pound a Rebka pomocí Mösbauerova jevu přesně prokázali gravitační rudý posuv (viz §2.4 "Fyzikální zákony v zakřiveném prostoročase", pasáž "Gravitační frekvenční posun"). Provádějí nebo se plánují přesná měření subtilních relativistických efektů na pohybu planet i umělých družic ve sluneční soustavě. S pomocí citlivých experimentálních a elektronických metod byl znovu a s vysokou přesností opakován Ëtvösův pokus, prokazující ekvivalenci setrvačné a tíhové hmotnosti. Další zajímavou oblastí gravitační fyziky je studium vlastností gravitačních vln a pokusy o jejich experimentální potvrzení (§2.7 "Gravitační vlny"). Na řadě míst této knihy jsou příslušné teoretické koncepce a poznatky doplněny stručným popisem jejich příp. experimentálního ověření. Systematický přehled experimentů v oblasti teorie relativity a gravitace je v §2.10 "Experimentální ověřování teorie relativity a gravitace", kde jsou odkazy na příslušné pasáže v jednotlivých kapitolách, v nichž jsou dané experimenty rozebírány.

Cesta poznávání gravitace je neobyčejně zajímavá. Ukazuje se být klíčem k pochopení vlastností prostoru, času, hmoty a jejího pohybu, klíčem k tajemství stavby vesmíru.

Gravitace - "Předmluva"		1.2. Newtonův gravitační zákon

Vojtěch Ullmann